【摘 要】
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地膜覆盖作为一种特殊的农田管理措施,具有保水、保温的特性,影响了世界上低用水量和缺水地区的农业生产方式,并提高了这些地区的作物产量。常规地膜的主要组成成分为聚乙烯,在自然条件下极难降解,同时由于地膜较薄,经使用后易破碎于农田中,难以回收,随着地膜覆盖年限的不断延长,地膜残体在土壤中逐年积累,对农田环境造成了严重污染。聚碳酸丙烯酯(PPC)是一种新型的可生物降解塑料,由二氧化碳与环氧丙烷(PO)“交
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地膜覆盖作为一种特殊的农田管理措施,具有保水、保温的特性,影响了世界上低用水量和缺水地区的农业生产方式,并提高了这些地区的作物产量。常规地膜的主要组成成分为聚乙烯,在自然条件下极难降解,同时由于地膜较薄,经使用后易破碎于农田中,难以回收,随着地膜覆盖年限的不断延长,地膜残体在土壤中逐年积累,对农田环境造成了严重污染。聚碳酸丙烯酯(PPC)是一种新型的可生物降解塑料,由二氧化碳与环氧丙烷(PO)“交替”共聚产生,其降解后的最终产物为H2O和CO2,能有效改善缓解传统聚乙烯农田残膜污染问题。但PPC的疏水性较强,微生物无法轻易附着于PPC表面,导致其降解速率缓慢,无法发挥它的环保特性,因此如何提高PPC地膜降解效率是当前研究的热点方向。目前,有关PPC地膜覆盖对土壤及土壤微生物群落的影响、PPC地膜的生物降解过程和PPC地膜降解菌株的研究较少。因此,本文通过高通量测序手段,比较覆膜土壤和非覆膜土壤中微生物群落的差异,探究PPC地膜覆盖对土壤及土壤微生物群落的影响和土壤微生物降解PPC地膜的过程,并筛选适用于PPC地膜降解的菌株,为日后PPC地膜的土壤安全性、生物降解地膜的大规模使用提供科学依据和理论基础。本文从微生物组学的角度出发,阐释了在PPC覆膜和不覆膜条件下的农田土壤理化性质(p H、EC、SOC、AP、AK)变化及微生物群落丰度、多样性、组成和结构之间的差异,深入探讨了PPC覆膜对土壤和微生物群落的影响。探究了在PPC地膜生物降解过程中主要参与降解的微生物群落以及不同降解时间内微生物群落的动态变化,并对微生物代谢功能进行了预测。在此基础上,筛选、鉴定了具有PPC地膜的生物降解功能的微生物菌株,并以菌株的生长、重量减轻百分比、水接触角(WCA)、扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶红外光谱(FTIR)等指标,评估了该菌株对PPC地膜降解性能。主要结论如下:(1)PPC覆膜提高了土壤p H,降低了EC和SOC含量,其中p H和SOC是影响细菌和真菌群落变化的最主要因素;覆膜还提高了土壤中酸杆菌门和MB-A2-108属的相对丰度,从一定程度上降低了土壤病原菌的潜在风险;PPC覆膜虽然对微生物群落整体的相对丰度和多样性影响并不显著,但却提高了微生物群落之间的相关性和复杂性。(2)PPC地膜降解过程中,门水平上占据主导地位的是变形菌门(61.6%)、拟杆菌门(24.1%)和放线菌门(7.2%);属水平上的优势物种为假单胞菌属(18.1%)、黄杆菌属(10.0%)和根瘤菌属(7.4%)。PPC地膜从降解中期到降解后期,变形菌门和放线菌门的相对丰度分别从41.4%和5.4%增加到了66.6%和22.1%,拟杆菌门从45.8%减少到了4.5%;在属水平中,根瘤菌属的相对丰度从5.1%增加到了17.8%,黄杆菌属的相对丰度从32.0%减少到了0.7%,假单胞菌属的相对丰度从6%增加到了14.3%后又减少到了3.8%。亚硝化拟杆菌和红细菌在降解末期相对丰度分别从4.9%和1.5%增加到了21.5%和10.4%,这两株菌可能在PPC塑料降解过中参与了降解作用。通过PPC地膜降解过程中的代谢功能分析预测表明,烃类降解代谢、芳香烃降解代谢和塑料降解代谢可能在PPC地膜降解过程中发挥着关键作用。(3)通过对铺设过PPC地膜的土壤中进行菌株筛选,筛选出了一株降解效果较好的细菌J16,属于芽孢杆菌属,与枯草芽孢杆菌具有100%的相似性,对PPC地膜具有良好的生物降解潜力。以PPC为唯一碳源条件下与J16株共培养下的生长,表明菌株可以利用PPC作为唯一碳源;SEM表面性能分析,发现PPC膜粗糙度提高,出现明显孔洞;WCA分析表明,PPC膜表面疏水性降低;FTIR光谱分析表明,PPC官能团结构发生改变,及PPC的重量百分比降低,进一步确定了PPC的降解的程度。枯草芽孢杆菌J16能够降解PPC地膜。
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