基于微观水文-物理模型的土壤微生物多样性影响机制研究

The notion that spatial and temporal factors contribute significantly to the high microbial diversity found in soil present a challenge to attempts to establish direct links between diversity and soil environment. Although heterogeneity and spatial and temporal microhabitat fragmentation are often cited as key factors promoting the immense microbial diversity found in soil, details of the dynamics and interplay of mechanisms that sustain such diversity remain sketchy. To investigate the potential determinants that control microbial activity and study origins of biodiversity dynamics in soil, we develop an online surface roughness microbial experimental system for quantifying the effects of spatial heterogeneity and hydration status on shaping microbial growth, motility and dispersion, and impacts on microbial populations interactions on unsaturated soil surfaces. We further propose an organism-centered spatially resolved modeling platform that explicitly considers aqueous phase organization in soil pores and a resulting host of micrometric biophysical processes ranging from heterogeneous nutrient diffusion field to motility rates and coupling microbial trophic interactions to study how micro scale hydro-physical processes contribute to shape soil microbial life and impacts on microbial diversity maintenance. The proposed research offers a potential for improved understanding of microbiological processes taking places in the most active compartment of the biosphere, and would provide new insights into the origins of the unparalleled biodiversity sustained in soil. This research lies at the intersection of soil physics, hydrology and environmental microbiology, and it shall have broad impact in cutting across disciplinary boundaries and offering insights into long standing environmental questions that are critical to soil and water resources quality, the fate of biogenic and anthropogenic pollutants entering such environments.

土壤微生物多样性研究是土壤研究领域的重点，也是这一研究领域的一个薄弱环节。由于土壤环境具有复杂的空间异质性及其在时空维度上的不连续性和动态变化等特性，这些被普遍认为是决定土壤微生物多样性的关键因素，但是人们对其影响机理的认知仍然一知半解。因此，本研究采用机理分析与数学模拟相结合的手段，通过构建微尺度土壤微生物实验系统，研究土壤微尺度孔隙的分布和水分含量变化对土壤中水膜网络大小分布的影响，及其对微生物运动和生长的影响机制，揭示土壤水文物理-微生物过程模拟的基本参数及相互作用机理；然后，构建基于单个孔隙和微生物个体的定量化模型，系统探究水分含量变化、营养物质的扩散传输及微生物之间的食物链关系对土壤微生物生长、竞争和共存的影响；从微观尺度揭示水文-物理环境因子对促进土壤微生物多样性的作用机制。研究结果还将为如何促进微生物对于土壤污染物质的有效生物降解和生物修复等提供理论指导和虚拟化模拟实验平台。

土壤微生物多样性研究是土壤微生物学研究领域的重点。然而，由于土壤本身的复杂性和难观测性，土壤微生物多样性研究一直是该研究领域的薄弱环节、相关研究大多停留在对实验现象的定性或半定量描述的水平上，而缺乏定量的和机理性的研究。本项目结合微观实验观测与数学模拟相结合的研究手段，创建了基于土壤微观孔隙和微生物个体细胞的土壤微生物活动和互作过程的离散化计算机模型；并利用模型研究了土壤环境微观水分和养分分布、及其动态变化如何影响环境微生物的生长、拓殖和种群间的互作过程，进而影响微生物多样性、种群结构及其生态功能。发现了在水不饱和土壤或其他多孔介质环境下，存在仅仅数个千帕的水势值区间能够支持快速生长微生物种群的定植和有效的空间扩张，从而建立少数微生物高度的种群优势，而在相对干燥情况下，多数竞争性微生物种群能够达到长时间的共存；而微生物之间的营养链关系也能够有效地促进微生物竞争性种群间稳定的时空分布和长时间的种群共存、以及优化的微生物群落的生态功能。同时，本项目还基于上述计算模拟研究结果，探索性地通过构建微观实验观测平台研究了土壤微生物铁还原菌和铁氧化物等对土壤和水体中有机砷迁移和转化过程的影响，发现了铁还原菌诱导产生的铁离子氧化过程能够显著促进土壤和水体中有机砷污染物的生物化学转化过程；随之发生的铁和亚铁离子的二次矿化过程能够对有机砷生物化学转化过程的中间产物产生有效的固化作用。上述研究结果从微观尺度上揭示了水文-物理环境因子对土壤微生物多样性的影响和促进机制，同时，明确了土壤和水体中重金属污染物如砷等的转化和迁移规律；该系列研究对于系统剖析微观水文、物理、化学等环境条件及其变化对土壤微生物多样性的影响和作用机制、以及其对微生物群落生态功能的影响具有重要意义。以上研究结果已经发表了6篇SCI期刊论文。