生物炭對微生物介導土壤固碳作用的影響及其微觀機制

《生物炭對微生物介導土壤固碳作用的影響及其微觀機制》是依託浙江大學，由朱曉敏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：生物炭對微生物介導土壤固碳作用的影響及其微觀機制
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：朱曉敏
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

生物炭在土壤固碳和污染控制中具有良好的套用潛力，引起國際極大關注。生物炭的固碳效應存在不確定性，研究主要集中於生物炭自身結構穩定性、土壤團聚體保護作用及有機質降解激活效應等，有關生物炭對微生物介導土壤固碳作用長期效應的影響及其機制尚未研究。本項目旨在探明生物炭對土壤自養與異氧微生物活性、微生物介導固碳的影響及微觀機理，重點研究不同性質和結構生物炭對土壤微生物群落結構和固碳效應的影響。基於穩定碳同位素混合原理，研究生物炭老化過程對土壤有機質礦化的影響及對土壤呼吸的貢獻率；採用酶活性表征方法，探討生物炭對土壤有機質礦化和CO2固定作用的影響及機理；採用穩定同位素示蹤結合分子生物學方法（DNA-SIP），深入研究生物炭對土壤異氧微生物和自養微生物群落結構影響及與生物炭結構之間的關係，從生物炭固碳過程-酶活性-土壤微生物群落結構，揭示生物炭增強土壤固碳的微生物學機制，為生物炭土壤固碳提供科學指導。

結題摘要

生物炭作為土壤改良劑被大量套用，對土壤有機碳穩定性的影響具有不確定性。生物炭固碳效應不僅與生物炭自身碳結構有關，更受到生物炭-微生物相互作用的調節。本研究合成分析了生物炭-微生物相互作用機制；總結了生物炭表面官能團與電子傳遞作用對土壤污染修復與土壤固碳的影響；利用穩定碳同位素混合模型，區分生物炭與土壤本底有機碳對土壤呼吸CO2釋放量的貢獻；利用基於土壤微生物DNA的高通量測序技術，揭示生物炭對土壤細菌與真菌群落結構的影響；冗餘分析揭示生物炭通過調控土壤理化性質從而調控土壤微生物群落結構的驅動機制；利用16SrRNA基因作為分子標記物，預測土壤微生物功能。研究結果表明：生物炭的自身礦化率遠低於生物質，生物炭與生物質對土壤本底有機碳的礦化均具有負向激發效應，與土壤微生物群落結構有關。生物炭維持穩定的土壤高pH值，對土壤微生物群落結構的干擾較小，幾乎不改變土壤微生物參與的有機碳代謝過程；而生物質則通過提高土壤DOC、降低土壤pH值，促進了酸桿菌Acidobacteria等一類土壤微生物對生物質自身易降解有機碳組分的分解。生物炭對土壤微生物功能的影響主要體現在其主要富集次級代謝產物的合成與分解、多環芳烴PAH降解、電子傳遞等代謝過程。據此，我們提出生物炭-微生物相互作用影響土壤固碳的關鍵機制，即生物炭與生物質對土壤關鍵理化性質特別是土壤pH值與DOC含量的影響不同，從而造成土壤微生物活性、群落結構、代謝功能的差異，最終決定生物炭與生物質分解率的差異以及土壤本底有機碳的不同命運。主要學術貢獻如下：（1）闡明了生物炭-微生物相互作用機制、生物炭表面官能團對土壤物質循環的關鍵作用、生物炭電子傳遞機制與環境效應；（2）闡明了生物炭-微生物相互作用對生物炭與土壤有機碳穩定性的影響機制；（3）利用雙重體系共同評價生物炭吸附固定土壤多環芳烴進一步釋放的環境風險，提出了生物炭作為連續體，在實際土壤污染修復過程中土壤有機質負載對其修復效率具有潛在的負面影響。