摘要
我国稻田磷肥利用率低，当季利用率约为10-25%，已成为水稻高产高效的主要限制因子之一。大量磷的盈余和损失，排入地表水体后，易造成水体富营养化和有害藻类“水华”，因此，研究提高磷肥利用效率，实现磷减排的新理论新途径具有重要的意义。作为环境友好型的磷捕获材料，周丛生物广泛生长于稻田土-水界面之间，在水稻生长初期的周丛生物可以存储大量的磷，而水稻生长的中、后期的周丛生物能把这些磷释放出来，从而改变稻田磷的供给过程，但尚不清楚周丛生物调控稻田磷循环的动态过程与潜在机制。因此，本研究以探究周丛生物捕获与释放磷的潜在机制为目的，首先构建了复原稻田周丛生物的室内培养方法，在此基础上研究了周丛生物成膜过程中的磷捕获动态过程以及周丛生物消亡过程中磷释放的动态过程，最后利用同位素示踪技术对其机制进行了验证，主要研究结果如下： （1）本研究梳理了整个水稻生长期的稻田周丛生物动态过程。构建了培养条件为土壤浸提液比例10%、Woods Hole培养基(WC)比例0.5%、培养温度26℃的稻田周丛生物室内培养方法，以实现稻田周丛生物的室内快速还原培养。该方法培养的周丛生物与实际稻田中生长的周丛生物相比，原核生物的丰富度还原率可达到66%，真核生物的丰富度还原率可达到68%，且可在13-15d快速成膜。室内培养的周丛生物可还原稻田中80%的细菌功能种类，稻田中的优势类群在经过室内培养后依然执行着大部分的代谢功能。 （2）磷捕获和储存磷机制的差异使得不同时期的周丛生物表现出不同的富集磷潜力。胞外聚合物（EPS）介导了周丛生物的磷捕获和储存过程，作用贯穿整个水稻生长期并在不同时期具有不同的贡献。从EPS组分的角度来看，EPS捕获磷的能力与EPS中多糖、蛋白质和胞外脱氧核糖核酸（DNA）均为正相关的关系。从生物组分的角度来看，整个水稻生长期的优势物种对稻田的磷循环具有重要的驱动作用。整个水稻生长期主要由五个优势物种驱动稻田的磷循环。不同水稻生长期周丛生物影响磷循环的核心功能主要为四个，在整个水稻期占比均较高。 周丛生物定殖成膜的过程中，在1-16天附着和生长阶段大量的捕获磷，在周丛生物进入成熟期，便开始以有机磷的形式释放一部分磷。计算得到周丛生物定殖成膜的附着、生长过程中捕获磷的磷通量为40.296mg P·m-2·d-1。去除EPS的周丛生物在生长后期捕获磷的能力显著下降，未失活但去除EPS的周丛生物捕获磷量只有自然周丛生物的55%，失活且去除EPS的周丛生物捕获磷量只有自然周丛生物的40%，即EPS的储磷是显著增强了周丛生物捕获磷能力的主要原因。 周丛生物不同机制释放的磷量如下：细胞凋亡时周丛生物释放磷量占比为52%；浓度差诱导释放磷量占比为57%；高温热解EPS后释放磷量为6%，纯EPS释放的磷量占比为8%。计算得到周丛生物不同组分、形态和方式释放的磷通量。 （3）利用δ18OP示踪周丛生物中磷的去向，主要探究了用于DNA合成与EPS捕获的磷，证实了周丛生物捕获磷机制。δ18OP随着周丛生物的生长过程存在清晰的梯度变化，周丛生物的生长导致培养体系中的磷减少，这些同位素的特征可以作为周丛生物调控磷循环的证据。周丛生物不同生长期的EPS和DNA差异均显著。虽然捕获机制不同，两者却有着相似的捕获趋势，EPS在前期的磷捕获中起到很大的作用，最大可达到胞内DNA合成量的10倍，而后期周丛生物经过衰亡期后，这两者持有的磷会释放。 本研究揭示周丛生物定殖成膜过程中功能微生物演替、功能基因与EPS的动态变化与磷捕获过程的动态关系，总结了周丛生物捕获磷的机制；研究周丛生物消亡过程中细胞凋亡、EPS降解引起的物理结构瓦解以及水稻生长中后期磷浓度差诱导的磷释放过程与其磷释放过程的动态关系，归纳了周丛生物释放磷的机制，并对机制进行了验证。本研究成果有助于了解周丛生物如何影响稻田中的磷循环过程，为人工干预稻田磷循环提供了机制理论，并开发基于周丛生物的优化水稻田磷管理和施肥措施新技术。
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