土壤微生物對環境脅迫的響應機制分析

摘要：農業發展始終以土地為基礎，土壤肥力、營養達到標準會促進農作物種植產量的提升，是以人們逐漸意識到土壤方面的研究十分重要。土壤作為自然存在的資源，其自身平衡性受到多方因素的影響，一旦出現條件的變化就會打破土壤本身的平衡。文章對土壤微生物對環境脅迫的響應機制進行了分析。

關鍵詞：土壤微生物；環境脅迫；響應機制；農業發展；土壤肥力；農作物；種植產量 文獻標識碼：A

中圖分類號：S154 文章編號：1009-2374（2017）11-0145-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.074

1 概述

地球表面最表層覆蓋的是土壤，土壤不僅是自然資源中最與人接近的資源，還是分布量最大的資源，幾乎在地表上到處都有土壤，可以說土壤與人類的生產生活緊密相連。同時，土壤作為大自然賦予的保護層，對維護自然生態系統的穩定性有重要意義，對此必須重視對土壤生態系統功能的養護，加強對破壞土壤營養成分的因素進行分析，以便提高土壤在環境中的抵抗力。眾所周知，土壤生態系統自成一個完整的循環體，在土壤中生存了大量具有多樣性特點的生物群落，正因為這些生物具備多樣性特點，且含有對土壤起到積極影響的營養元素，才能維持土壤生態循環系統的平衡，并且部分微生物是參與地球化學循環必要物質，對植物生長、氣候調節等陸地生態系統的生態功能起到不可替代作用。因此，探索微生物群落對環境的脅迫所引起的環境變化做出的響應，根據微生物響應機制做出調整，提高土壤自身生態功能的穩定性是十分必要的。

2 土壤微生物與環境脅迫之間的聯系

環境脅迫是指在自然界中，環境對其范圍內存在的生物產生了一定程度的威脅和制約，破壞了生物的自然生長和存在，這種脅迫主要是受到外來因素的干擾，例如受到天災冰凍、洪澇、鹽堿等或者受到人為的干擾如傾倒垃圾、碾壓等。土壤作為自然環境中四處存在的物質，其受到環境的影響作用十分廣泛，并且長期以來，由于人類工業化發展和城市化的變革，給土壤生態環境造成了難以想象的破壞。

在環境給土壤造成的破壞之中，突出的土壤污染表現為土壤重金屬沉積，大量重金屬經過日積月累，會導致土壤的生態系統失去平衡，造成土壤中微生物群落活性降低，使微生物生長逐漸朝向單一化演變，最終導致土壤的機能下降。已知關于土壤微生物對環境脅迫的響應機制研究中，人們多數是將重金屬污染作為研究生物和環境脅迫的切入點。目前，科研人員已經發現了重金屬在土壤中的沉積，會對土壤內部微生物群落多樣性以及土壤生態穩定性等多方面造成影響，從這個角度切入進行實驗，可以獲得多項研究結果，有利于科研對比實驗的展開。

3 土壤微生物多樣性及土壤生態穩定性研究方法分析

3.1 土壤微生物多樣性研究

土壤微生物群落因為自身的物質特點具備多樣性的性質，正是由于微生物群落的多樣性，為土壤提供了充分的營養，能夠維持土壤生態系統平衡。而要想探究土壤微生物對環境脅迫的影響機制，首先就要了解土壤微生物多樣性，對土壤微生物多樣性的掌握有利于提高人們認識微生物的生態功能。測量土壤微生物群落多樣性主要利用培養方式進行實驗，傳統的測量方法有底物利用分析法、分離培養分析法，也有依靠新技術產生的新興研究方法，比如說高通量同高分辨率結合的宏基因組學分析法。在研究過程中，根據所具備的實驗條件選擇恰當的實驗方法，對土壤微生物群落多樣性進行分析和記錄，在反復比對實驗數據后得出土壤微生物群落多樣性特征。目前，實驗研究人員會根據微生物群落多樣性的差異做出區分，多以微生物群落α多樣性、β多樣性和γ多樣性為研究內容。

3.2 土壤生態穩定性研究

實際上，土壤生態穩定性決定了土壤在遇到環境脅迫時的響應機制反應度，土壤生態穩定性是指生態系統在面臨外部環境發生變化，對土壤的各個方面的性能和生態性造成影響時，可以利用自身功能與性能抵抗外部侵襲的影響，使得土壤生態系統能夠保持原有的狀態。土壤生態穩定性包括了許多方面，但是起到絕大部分作用的有兩個，即土壤抵抗力穩定性和恢復力穩定性。這兩個功能是土壤本身含有的，不同的是不同的土壤因為具有的微生物群落不同，會體現出不同程度的差異。根據相關數據顯示，土壤中的微生物群落如果功能性顯示出多樣化，并且微生物群落的數量越多，土壤自身的抵抗力穩定性和恢復力穩定性就越大，所以在研究土壤生態穩定性的實驗中，研究人員主要討論的就是這兩個功能指標。

4 土壤微生物對環境脅迫響應機制的分析

4.1 土壤微生物群落功能冗余情況

功能冗余一般指具備多項功能的事物會存在生態功能重疊情況，對于土壤微生物群落而言，微生物具有多樣性的特征，不同的微生物群落都會存在一些生態功能，這些功能本質上所起到的作用都是一致的。有實驗證明，土壤微生物群落中的某些生態功能被剔除后，這些微生物群落的生態系統功能并沒有發生太大改變，仍然可以維持原有的生態體系。也就是說，一旦土壤面對環境脅迫，微生物群落會選擇脫離出一些個體，來應對環境變化造成的惡果，剩余微生物群落可能會減少微生物種類，使功能結構發生改變，但是這些改變還不足以支持整體土壤微生物群落的正常功能。眾多數據顯示出，土壤具備功能的穩定性，很大程度上與土壤微生物群落的功能冗余存在聯系，正是因為這些功能冗余的原因，會始終保持土壤在自然環境的變化中呈現出平衡性，所以研究功能冗余的物種發揮重要作用可以很好的解釋生態系統穩定性的潛在機理，對研究土壤生態系統平衡起到了重要的影響作用。自然微生物群落多樣性與功能之間的聯系始終都沒有得到詳細的認知，科學家們對微生物群落的研究體現在多方面，其中非常明確地表示出微生物群落的功能冗余對各種研究都有影響。

4.2 土壤微生物對重金屬污染的抵抗性能

當前，社會環境問題嚴重，給土壤的生態系統造成了嚴重威脅，除了人為的治理以外，土壤微生物群落在應對土壤環境惡劣情況中發揮了巨大作用。在研究土壤微生物群落對環境脅迫的響應機制過程中，人們著重關注了微生物群落對土壤中因重金屬帶來的環境變化進行抵抗并自我恢復的研究，經過多項實驗觀察，確定了微生物群落在面對重金屬物質的脅迫時能夠及時激發響應機制，助力土壤保持生態系統穩定平衡。當土壤微生物群落感受到重金屬的威脅時，一般會采取自動應對機制，形成相應的能力。其一，當重金屬物質入侵土壤后，土壤中的微生物群落會改變性質，由耐受型微生物群落逐漸取代敏感型；其二，當遇到重金屬量過大時，土壤中的微生物群落會發生對這些重金屬的水平轉移，會逐漸在群落內部生成抗性基因，對抗重金屬；其三，有可能在遇到重金屬入侵時，土壤微生物群落發生物種遺傳變異，從初始微生物群落開始逐漸產生的新的群落會具備這些抗金屬性能。在對抗重金屬入侵過程中，土壤中用以對抗重金屬的微生物群落還是會受到影響，時間越長，這些對抗重金屬的微生物群落對抗性能和恢復性能降低越快，在面對環境脅迫時，土壤生態系統的穩定性更多還是依靠耐受型微生物群落和抗性基因轉移（水平轉移）。

4.3 環境脅迫下土壤微生物的其他機制

環境脅迫一旦發生，會引起原核生物與真核生物細胞產生蛋白質錯誤折疊與聚合。當環境脅迫為熱脅迫，此時土壤微生物群落中的細菌會發生蛋白質變性與聚合，溫度超過一定的限定值后會在原有細菌內部的蛋白質基礎上誘變為熱激蛋白，其內部含有分子伴侶，作用于細胞蛋白質，能夠防止出現聚合或者降低蛋白質錯誤折疊，并且在熱激蛋白中存在一種非蛋白酶，這種酶的作用是降解不可逆損壞的多肽。

5 結語

總之，當土壤遭遇環境脅迫時，土壤微生物群落會依靠自身的生態功能引發響應機制，應對已經發生的環境脅迫。但是單靠土壤微生物自發性的響應機制仍然不夠，隨著社會環保觀念的加強，要持續加大投入研究土壤微生物對環境發生脅迫時響應機制的內容。就我國當前的實際情況而言，更要注重對土壤中的重金屬抗性基因轉移（水平轉移）做深入研究，找出科學方法提高土壤微生物群落的生態活性，加強土壤微生物群落對重金屬的抗性，以便提高土壤肥力，為恢復土壤生產力奠定堅實基礎。

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作者簡介：李俊樂（1996-），女，河北承德人，河北大學生命科學學院2014級學生。

（責任編輯：王 波）