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紫外线显著加速生物降解

更新:2015年10月04日 阅读次数: 【字体:

 

刘玲莉在野外实验。植物所供图

■本报记者 郭爽

近日,中科院植物研究所研究员刘玲莉研究组通过控制实验和数据整合相结合的方法,发现紫外线(UV)辐射会显著加速陆地生态系统中凋落物的分解,并且这种促进效应主要是通过增加凋落物的可降解性,进而促进生物降解。

这些研究得到了国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金和国家“青年千人计划”项目的资助。相关研究成果已发表于Global Change Biology

辐射变化可影响碳氮循环

“以往关于太阳辐射变化的研究主要集中于其对植物光合作用以及植被生产力的影响,而对辐射变化如何影响地下碳氮循环的关注较少。” 刘玲莉在接受《中国科学报》记者采访时表示。

据了解,人类活动显著改变了到达地球表面的太阳辐射量。由于大气臭氧层的破坏,从上世纪60年代到2000年间,地球表面的紫外线辐射显著增加,即使到目前,南半球的紫外线辐射仍然呈现持续上升的趋势。

然而,在北半球,由于人类活动不断向大气中排放大量颗粒物,导致大气气溶胶含量大幅度上升。大气气溶胶粒子能够吸收、散射太阳辐射,改变到达地球表面的紫外线辐射量。同时,气候变化对云量的影响也会进一步影响地球表面的紫外线辐射。

“太阳辐射是驱动生态系统碳循环最重要的能量来源,但在当前全球变化生态学中研究焦点主要集中于全球变暖、降雨格局改变等,紫外线辐射变化对陆地生态系统碳氮循环过程的影响还没有得到足够的关注。”刘玲莉告诉记者。

她解释说,凋落物分解在陆地生态系统碳循环过程中起着非常重要的作用,会显著影响土壤有机碳含量和大气中二氧化碳浓度的变化。

传统上一般认为,凋落物的分解过程主要是由微生物分解主导,同时受温度和水分的调控。然而,在干旱、半干旱的草地生态系统中,水分严重限制了微生物活性,但凋落物的分解仍然很快。传统模型中的凋落物性质(如木质素含量)和气候状况(温度、降水)并不能完全解释干旱区中凋落物的快速分解,因此应该有其他可能被忽略的因子加速了凋落物的分解。

“这可能与干旱、半干旱地区强烈的紫外线辐射有关。一方面,高的紫外线辐射可能对凋落物进行直接的非生物光降解,另一方面,紫外线辐射也可以改变凋落物的理化性质,进一步影响微生物降解过程。”刘玲莉说。

然而,目前关于非生物光降解和生物降解在干旱区凋落物分解过程中各自的贡献,以及它们之间如何交互作用,进而影响凋落物分解的研究还很少。

刘玲莉研究组首先通过控制实验,对凋落物进行了两个不同水平的紫外线辐射处理。经过195天紫外线处理后发现,在土壤微生物存在的情况下,高紫外线辐射显著加速了凋落物的分解。而在没有土壤微生物存在的情况下,紫外线辐射对凋落物的降解没有显著影响。这说明紫外线辐射可以加速凋落物的分解,但是这种促进作用要在土壤微生物参与的情况下才能更好地得以体现。

为了验证紫外线辐射是否增加了凋落物的可降解性,从而加速了凋落物的生物降解,科研人员将紫外线辐射处理后的凋落物与风干土混合后接种微生物进行培养。

结果发现,紫外线辐射处理时间越长的凋落物,其可溶性有机碳含量越高,培养时累积释放的二氧化碳量也越高,即紫外线辐射使得凋落物的可降解性增加。

“为了进一步验证这种现象是否具有普适性,我们还通过数据整合分析的方法,将现有关于凋落物光降解的研究进行整合分析,比较了非生物光降解过程和微生物参与的光降解过程中凋落物的化学组成及降解速率的差异。”刘玲莉说。

结果验证了室内培养实验的结论,即紫外线辐射量的增加会显著地加速陆地生态系统中凋落物的分解速率,并且这种促进效应主要是通过增加凋落物的可降解性,进而促进生物降解。

“本研究是一项基础性研究,揭示了凋落物降解过程中非生物光降解与微生物降解之间的交互作用,有助于全面理解未来辐射变化对陆地生态系统碳循环过程的影响。”刘玲莉说。

携手同行

虽然现有的研究中大多认为紫外线辐射会加速干旱区凋落物的分解,但是在不同的研究区域以及不同的凋落物类型中,紫外线辐射对凋落物分解的影响仍然存在很多的不确定性。

“因此,在刚开始接触这个研究方向的过程中,在大量相关文献阅读的同时,我也对已有的相关文献中的数据进行了提取和整合分析,并且作出了初步的研究结果。”博士研究生王静告诉记者。

生态学研究的一个难点在于,科学家所关注的每个现象,均是多个过程复杂的交互作用的结果。生态学研究的突破点,通常来自于科学家是否能通过有效的手段,分离不同过程起到的作用,从而理解自然界发生发展的规律。通过对已有研究成果的梳理,科研人员发现他们仍不清楚在凋落物分解过程中,非生物的光降解过程与生物降解各自起到多大的贡献,没有对这两个过程相互作用的探讨,就无法全面理解凋落物分解的机制。在明确研究中的创新点后,科研人员开展新的实验工作,也就是本研究中进行的凋落物光降解控制实验。

在经过为期195天的不同水平的紫外线辐射照射后,控制实验得到了很好的结果,也就是紫外线辐射可以加速凋落物的分解,而这种促进效应主要是通过改变了凋落物的理化性质,提高了凋落物的可降解性,进而促进了生物降解。

“为了进一步验证这一机制的普适性,我们又将之前从文献中提取的数据拿出来,从分离生物和非生物过程的角度重新进行了整合分析,并且得到了和室内培养实验一致的结论。”刘玲莉说。

同样的实验处理,甚至同样的数据库,换一个新的角度分析问题,可能会有新的发现。当然,发现问题、找到创新点、通过不同的实验方法和数据分析角度来解决问题,可能是大多数新入门的研究生所要面临的共同科研难点。大量的文献阅读、及时有效地与导师交流都是研究生们突破科研难点的必经之路。(来源:中国科学报 郭爽)

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