冻融作用对土壤微生物的影响综述

JoeGriffis

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.127
摘要：土壤微生物种类众多，分布广泛，对土壤及周围生物的影响很大。冻融作用在全球范围内普遍存在，通过改变土壤的理化性质，影响土壤微生物的生命活动。本文重点综述了微生物在细胞、基因蛋白质及生理代谢水平上对冻融作用的响应行为，简要阐明因冻融改变的土壤环境因子对微生物的影响，进一步分析冻融对微生物群落结构和生物量的改变机制，并对将来可能的研究方向进行展望。
關键词：土壤；冻融作用；微生物；生化特性；微生物量；群落结构；细胞；生理代谢水平；全球气候变暖
中图分类号： S154.34文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0438-05
收稿日期：2015-08-01
基金项目：国家自然科学基金青年科学基金（编号：41301253）；辽宁省农业领域青年科技创新人才培养计划（编号：2014018）。
作者简介：田路路 （1990—），女，河南鲁山人，硕士研究生，从事冻融对土壤氮矿化影响方面的研究。E-mail： 760848132@qq.com。
通信作者：孙文涛。E-mail：wentaosw@163.com。土壤是一个固、液、气三相组成的高度异质环境，发育着丰富的微生物群落。微生物在土壤中分布广、数量大，土壤中栖息着微生物约100亿个/g[1]。土壤微生物参与矿化作用，分解有机质，释放C、N、P、S等矿质元素，具有解毒土壤、净化环境的作用[1]，影响土壤腐殖质及土壤团聚体的形成及其稳定性[2-4]，可进行生物固氮、增加土壤氮含量[1，5-6]，影响植物生长及病虫害的防治，在土壤生态系统及农业生产中都具有重要的地位[1]。冻融作用是在全球中高纬度和高海拔地区普遍存在的一种自然现象，是一种由于昼夜性、季节性或气候性的热量变化而在土壤表土及以下一定深度发生的反复冻结-融化现象[7]。全球受冻融作用影响的土地面积占陆地总面积的70%，北半球陆地表面超过一半地区会经历土壤冻融作用[8]，而我国北方地区具有土壤季节性冻融的重要气候特征。冻融作用可以明显改变土壤的物理、化学及生物学性质，如破坏土壤结构、影响团聚体稳定性、释放一部分可供微生物直接利用的营养元素、加强有机质的矿化作用、增强酶的活化效应等[9-11]。冻融对土壤理化性质及生物学性质的改变，不仅影响微生物自身的生存代谢活动，而且还影响其参与土壤中各种生理生化活动。
近年来，全球气候日益变暖，高纬度地区土壤积雪和冻融环境都可能发生变化[12-13]。Mellender等对瑞典欧洲赤松林的研究发现，气候变暖会使地表覆盖积雪减少，地表10 cm处平均温度上升，春季变暖时间提前，冻融循环次数增多[14]；Hey对加拿大31个气象站40年的气候和土壤温度数据进行分析也发现了类似现象[15]。这种全球变暖的现象直接改变了冻融的时间、强度及其频率，相应的冻融对土壤微生物的影响也将发生一定的改变。冻融作用不仅可以直接从内部影响土壤微生物，而且可以通过改变土壤的理化性质和生物学性质来从外部影响微生物。本研究主要综述冻融作用对土壤微生物自身内部特性的影响，冻融导致的土壤环境因子变化对土壤微生物的影响，以及冻融作用对微生物群落结构和生物量的影响，最后简要展望该领域研究在将来可能的发展方向。
1冻融对土壤微生物自身内部特性的影响
1.1冻融对微生物细胞的影响
首先，在冻融开始时，土壤温度下降至冻结，会将其中的微生物细胞冻伤，冻结产生的胞内冰晶体的增长造成细胞膜和细胞器的机械性损伤，从而引起细胞的形态发生变化[16]，这与一些学者的研究结论[17-18]相似。其次，冻结使未冻水中的溶质浓缩，改变土水势，细胞内外渗透压失去平衡，使细胞失水，细胞膜流动性降低，细胞壁受损[16，19]。朱琳等对乳酸菌细胞膜冻干损失的研究结果表明，冻结形成的冰晶会直接破坏膜结构，造成机械损伤，一般冰晶越大，细胞膜越易损伤破裂，造成细胞死亡[20]。另一方面，当细胞内水分逸出，缩水达到最小临界值时，细胞膜的渗透率产生不可逆的增加，导致原先不能透过膜的溶液也变成可渗透的，进而致使细胞死亡。此外，融化复水时可能发生的重结晶作用，也足以破坏细胞质膜或具膜的细胞器官[16]。
一般细胞内部高于-10 ℃不会冻结，但当细胞含水量小于10%时，即使温度降低到-40 ℃，细胞质也不会冻结[19]。这一现象说明细胞含水量对冻融作用中微生物细胞的冻结过程具有一定的影响，对于研究如何冷冻保存生物但又不破坏其细胞完整度及活性身份具有借鉴意义。
1.2冻融对微生物生理生物学的影响
1.2.1冻融对微生物生理学的影响冻融作用对微生物生理学方面的影响主要体现在2个方面，一是生理代谢活动，二是能量供应[21]。一般认为，多年冻土层中幸存下来的微生物大部分时间都处于休眠状态，仅在局部区域或时段具有一定的代谢活动能力[22]。Brinton等利用天冬氨酸外消旋作用的研究结果表明，微生物在-10 ℃下可生长繁殖4万多年，即微生物在冻结环境中仍可以从周围的冻土中得到可利用的养分来维持生存[23]。Gilichinsky等研究发现，虽然西伯利亚多年冻土微生物在-12～5 ℃的冻结过程中仍可以合成脂类，但在-1.5 ℃时其合成速度骤然降低，即受极端环境限制，微生物代谢活动微弱，仅能维持基本的生命活动[24]。总的来说，冻结时期能够存活下来的微生物的代谢水平分为3种情况：（1）代谢足以维持细胞生长；（2）代谢仅能维持细胞存活，不能支持细胞生长；（3）细胞进入休眠期，仅能在条件好转时进行代谢，以修复冻结期积累下来的受损物质[25]。
融化后的土壤微生物天冬氨酸利用率提高，丙氨酸利用率下降，而乳酸摄取能力基本不变[20，24]。在相同的培养条件下，经过冻融作用后苏醒的微生物与无经历冻融的微生物相比，前者的细胞增殖和菌落形成速率明显高于后者，虽然前者菌落总数较少，但其生存能力却强于后者或普通微生物[14，26]。