利用稳定同位素示踪活性自养细菌群落对大气CO2和温度升高的响应开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

由于人类活动和化石燃料的燃烧，以二氧化碳为首的温室气体在大气中的浓度增加，导致全球变暖加剧，全球大气中co₂浓度已由工业化时代的约280μmol/mol增加到2005年的380μmol/mol，且仍以每年0.5％的速度递增。预计到21世纪末，大气co₂浓度将达到540-958μmol/mol，co₂浓度升高对生态系统的危害日益受到人们的关注，如何减缓大气温室效应是全球环境问题中最重要且亟待解决的问题之一。国内外已有不少研究和报道^[21]：如co₂浓度升高会抑制光呼吸，提高净光和效率，影响植物根系环境，促进植物根系对土壤元素例如氮素的吸收，间接影响微生物的生长。同时，co₂浓度升高后也会诱导植物根系以根系分泌物的形式向土壤中输入更多的有机碳物质，从而影响到土壤微生物群落组成和结构的变化。

陆地生态系统碳循环位于全球碳循环的中心位置，而农田生态系统是陆地生态系统中最活跃且固碳潜力最大的碳库之一。相关研究表明，在农田土壤中存在相当数量的自养细菌，这些自养细菌通过各种固碳途径 (卡尔文循环、厌氧乙酰辅酶a、琥珀酰辅酶a途径等)将co₂同化为土壤有机质参与土壤的碳循环过程^{[1]- [5]}。根据能量来源的不同，可以将这些自养细菌分为光能自养型和化能自养型。光能自养型细菌主要为光合细菌类，体内含叶绿素，能以光能为能源、co₂为碳源，合成自身物质或维持自身代谢；而化能自养型细菌则主要包括严格化能自养型细菌和兼性化能自养型细菌，它们均以co₂作为代谢碳源，以h₂、h₂s、s₂o₃^2-、nh₄、no²-及fe² 等还原态无机物作为能源^[6]。

但是另一方面，由于农田生态系统较容易受到干扰，如利用方式，管理方式及全球变化的影响，导致农田土壤微生物的群落结构和数量也因此会发生变化，由此引发的一系列问题特别是土壤微生物群落对大气co₂浓度和温度变化的响应引起了科学家的广泛关注，并进行了大量相关性的研究。

2. 研究的基本内容和问题

在全球变化的背景下，土壤微生物特别是土壤自养细菌及其群落的响应和反馈机制成为目前研究的热点。

但是目前的研究主要集中在草地和森林生态系统,对于农田生态系统的研究相对较少。

本实验通过进行face圈的室外田间实验，揭示农田土壤自养细菌及群落对全球变化特别是co₂浓度升高和温度上升的响应机制，了解农田生态系统对全球变化的反馈机制，进而为应对全球变化和进行农业生产管理提供新的思路。

3. 研究的方法与方案

1. 研究方法

face圈实验：在近地面空气中增加二氧化碳浓度及温度，模拟全球变暖。然后收集田间土壤进行培养。

¹³c稳定同位素示踪技术（sip）^[20]：采用稳定性同位素示踪复杂环境中微生物基因组dna的分子生态学技术。碳氮是生命的基本元素，采用稳定性同位素如¹³c-标记底物培养环境样品，利用标记底物的环境微生物细胞不断分裂、生长、繁殖并合成¹³c-dna，提取环境微生物基因组总dna并通过超高速密度梯度离心将¹³c-dna与¹²c-dna分离后，进一步采用分子生物学技术分析¹³c-dna，揭示复杂环境样品中同化了标记底物的微生物作用者，将特定的物质代谢过程与复杂的环境微生物群落物种组成直接耦合，在微生物群落水平，以¹³c-物质代谢过程为导向，发掘重要功能基因，揭示复杂环境中微生物重要生理代谢过程的分子机制。dna-sip包括4个主要步骤:标记底物培养环境样品、环境微生物基因组总dna超高速密度梯度离心、不同浮力密度梯度区带中¹³c-dna富集程度鉴定、¹³c-dna的下游分析。

4. 研究创新点

国内外关于土壤微生物对大气 CO₂浓度和温度的上升地响应研究多关于草地和森林生态系统,对于农田生态系统的研究相对较少，关于土壤自养细菌群落的研究更是凤毛麟角，本试验设计了FACE圈的室外田间实验（Free Air Concentration Enrichment）即在近地面空气中增加二氧化碳浓度及温度，模拟全球变暖。

然后收集田间土壤进行培养，利用¹³C稳定同位素示踪技术，研究在大气CO₂及温度升高的情况下活性自养细菌的群落变化，具有一定的创新性。

5. 研究计划与进展