硫化氢沉积从石油开采可能如何影响细菌社区和刚果沿海平原森林土壤的健康?

介绍

考虑到濒临灭绝的稀树大草原生态系统的潜在风险(1,2),贫瘠的土壤不适合农业在刚果的热带大草原的沿海平原已经使用了快速增长的种植园,如桉树自1950年代(3,4)。土壤砂性土,土壤类型所代表的大多数在非洲(22%)(https://esdac.jrc.ec.europa.eu/content/soil-map-soil-atlas-africa)。他们跨度超过600万公顷,从刚果民主共和国(DRC)通过刚果共和国(RoC)对加蓬(5- - - - - -7)在非洲中部,它是世界上第二大热带雨林生态系统(https://www.onegreenplanet.org/animalsandnature/the-worlds-second-largest-rainforest-congo/)。这些土壤砂质砂(> 90%)和一个天生贫瘠状态,即。非常低的土壤有机质(SOM)内容(< 1%的SOM) (8)。

造林和再造林是一项重要的全球森林管理实践(9,10)在两种土壤固碳(C)和生物量,对减缓气候变化的潜在影响,家具木材、土地退化和恢复(11- - - - - -14)。此外,绿化也旨在保护自然森林和确保其他土壤和生态系统服务(10;https://www.conserve-energy-future.com/importance-advantages-afforestation.php)。森林种植园成立于刚果沿海平原帮助建立健康的土壤,使经济和环境效益,如nontimber产品,生产纸浆(行业),和薪材能源(当地人)。事实上,94%的人口依赖于他们的能源需求,自己和刚果盆地的周边国家(11)。此外,当管理得当,这些森林种植园增强土壤健康和生态系统生物多样性(6,7,15)。

提高土壤肥力和维持森林生产力递减第一次旋转后,因为营养是通过木材收获和取代化肥出口(16金合欢属等)、固氮树种(非功能性测试)介绍了桉树人工林在1990年代(17,18)。这些杂交物种(阿拉伯橡胶树和桉树)种植园改善土壤健康,即。通过增加N,土壤肥力状态(19- - - - - -22)和增强在森林地面和土壤磷循环(23- - - - - -25)。然而,包含金合欢(有效磷的下降26由于共生N)₂固定(27)报道。这些种植园也可能有潜力提高土壤硫的浓度,这似乎是两到三个高于通常观察到(28),因为虽然被认为是一个重要的植物养分,土壤浓度是只有大约10%的总N (29日)。好处也有报道通过C封存在土壤(6,19)和站木材生物量增加,即。森林生产力(21,30.),提高可能减缓气候变化通过增加C股票(6,14,31日)。

土壤生境,即。,its diversity, regulates the conservation and productivity of ecosystems (32)。等重要功能,分解有机残留物、养分循环、生物扰动作用,抑制土壤−承担疾病和害虫,和其他环境服务(流域保护,保护土壤结构,缓解温室气体排放),强烈依赖于土壤生物群(33)。造林和固氮树木森林种植园的引入改变土壤生物,例如,可能会导致动物物种的组成和结构的变化,微生物,细菌和真菌的社区(34- - - - - -38)。Peerawat et al。(39)报道,细菌和macrofaunal多样性对土地利用转换比真菌的多样性。土壤水分有利于积极mesofaunal丰度和多样性之间的相关性,并驱动生态土壤mesofauna和微生物之间的相互作用在巴西(金合欢种植园40)。此外,Zagatto et al。(41)报道,金合欢高阿垃圾的独家订单组综合纲,原尾目,拟蝎目,这被认为是环境质量的指标。金合欢垃圾是最有利于mesofauna桉树相比,由于其高营养品质和生物量高于平均水平,导致高动物密度和多样性。

人为活动和生物地球化学过程显然是联系和作用于陆地和水生生态系统和环境对生物体的健康不可否认的影响,即。,植物,动物,和人类(42- - - - - -45)。硫化氢(H₂年代)是大气中自然出现在低浓度(0.02μl L⁻¹)(46- - - - - -48)。然而,这个阈值水平可能超过了地区的火山活动和污染的工业或畜牧生产(46,49),比如刚果刚果共和国沿海平原。地区窝藏更高浓度的H₂年代有较高的微生物物种多样性的优势放线菌门(49),而硫刺激增长和增强的生物量放线菌革兰氏阳性菌(42)。放线菌港高分解能力范围广泛的碳氢化合物,杀虫剂,和羽毛废弃物(50)。增加C和N股7年的第一旋转森林种植园(包含金合欢站,19,22)和磷可用性(绿化站,23)可能与流行放线菌决定使用metabarcoding 16 s rRNA的细菌基因(31日)。此外,H₂自然过程产生的年代,使放线菌的存在(48)的患病率Actinobaceria可能由于人类活动(31日,49土壤属性,如C)和潜在的好处和P动态。维持这些生态系统强烈的依赖,因此,土壤细菌社区相关的其他功能之间的相互作用,环境和人类活动。

迄今为止,很少有研究探讨微生物群落(细菌或真菌和大型生物)和土壤生物多样性现状进行森林种植园的刚果沿海平原。增强土壤macroarthropod社区的活动。,the dominance of cockroaches in acacia litter as opposed to ants in eucalyptus, has been reported in the forest plantations of the Congolese coastal plains (17)。尽管没有区别放线菌中流行的门站,其患病率和强烈相关硫(S)已注意到各级分类法的使用metabarcoding 16 S rRNA的细菌基因。此外,改变细菌群落组成的主导地位是证明了这一点变形菌门在桉树单作厚壁菌门站包含金合欢(51)。因此,还需要进一步的研究来证实这一趋势。当前审查论文旨在加强和确认我们的知识(1)如何,除了自然过程,人类活动(H₂年代沉积从石油开采)可以修改土壤细菌群落组成和土壤健康;和(2)的患病率放线菌门可以受益土壤属性和提高SOM动力学通过C封存和土壤健康和/或土地复垦。

石油开发等人类活动导致H₂年代的排放可能修改土壤细菌群落组成和土壤健康

研究报告的改善土壤健康森林的沙土和农林复合经营系统对抗饥饿和荒漠化,增加森林保护,生物多样性和生态系统,和缓解气候变化已经在非洲中部执行(6,7,19,52,53)。变化发生在土壤过程和功能是由土壤生物(54)。土壤生物的作用在推动和加强营养动力学和循环改善土壤健康至关重要,作为其与环境和人类活动相互作用,确保土壤功能(31日,40,41,54)。随着土壤有机质的数量和质量的变化,增强土壤macroarthropod社区活动的主导地位在桉树对蟑螂蚂蚁金合欢垃圾一直在报道杂交物种的刚果沿海平原森林种植园(17)。二十多年后,细菌群落组成放线菌占支配地位的门站,厚壁菌门第二站包含金合欢和普遍的门变形菌门在单作桉树(51)。人为活动影响环境,即。,both terrestrial and/or marine ecosystems, and may impact the soil microbiome, e.g., its richness and/or diversity and soil health (36,40,41,43,55,56)。这可以说明了概念方案演示人类活动,环境和生物地球化学过程与人类福祉通过土壤健康和有助于四17的可持续发展目标(西班牙)(可持续发展目标:改变我们的世界|联合国17粒进球,图1)。图显示了活动如石油开采,采矿,建筑,和土地利用变化(例如,转换的森林农田)可能危及土壤健康和延迟这些联合国针对西班牙的成就。人类福祉与西班牙3,即。,“Good health and well-being,” while food security as the first challenge in图1与西班牙2“零饥饿。“第二个挑战,即。,mitigating climate change, is linked to SDG 13, “Climate action.” Soil sustainable management and co-benefits as a third challenge are linked to SDGs 2 and 15, “No hunger,” and “Life on land,” respectively. The latter SDG, i.e., SGD 15, “Life on land,” is also linked to the fourth challenge, which is the conservation of biodiversity (图1)。

强调和更好地理解这些交互,来自不同国家的一些例子已报告表1。在俄罗斯西北部成堆的石灰石矿山,高通量测序的土壤显示显著差异变形菌门,Chloroflexi,Acidobacteria,放线菌门(44,表1)。作者指出,放线菌是唯一一门呈现最深刻的增加操作分类单元(辣子鸡)(在200年的8倍土壤)。H₂年代可能会威胁到周围的环境和公共卫生,因为它可能是气味的来源(46,47)。承认硫生物转化过程在垃圾填埋场覆盖和建立技术管理气味污染,夏et al。(47)报道Comamonas和不动杆菌(变形菌门门),属代谢H有至关重要的作用₂年代的浪费biocover土壤。作者还认为,pH值的下降发生在垃圾填埋场覆盖是一个潜在的吸附的结果,吸收,和H的生物转化₂美国森林种植园的刚果沿海平原,H₂年代,这可能部分源于石油勘探(自1969年以来发生的),可能会增强的患病率放线菌门敏感浓度(49,51)。没有注意到差异有关放线菌在所有港口患病率研究,即。,in the monoculture acacia and eucalyptus and mixed-species stands (50% acacia and 50% eucalyptus) (51)。这可能进一步推动其增长和生物量,在工业领域(49),和增强的有机材料动力学放线菌扮演着一个关键角色,分解有机材料(50)。在包含金合欢(C增加库存报告19,22可用)或增加绿化土壤的磷(23)报道,在杂交物种在沿海平原森林种植园,因此,有关的流行放线菌在这些土壤的细菌群落组成类群(51)。

其他的人类活动,如土地利用变化,即。,the establishment of cropping, forest and agroforestry systems, the indirect impact of human activities leading to climate change or land degradation may also change the soil microbiome and soil health (54)。据报道,占主导地位的组织一般在酸性土壤中的细菌群落Acidobacteria和变形菌门(49,58)。细菌群落结构的调查单作金合欢和桉树森林种植园沿深度剖面(0到800厘米)显示的主导地位变形菌门和Acidobacteria(复发性样品在0和300厘米)之间的患病率厚壁菌门和变形菌门在纯桉树(36)。尽管如此,酸和沙土(砂pH < 4.5 > 90%)窝藏细菌社区主导的成分放线菌,紧随其后的是变形菌门,厚壁菌门,Acidobacteria含有较高的C和N站包含金合欢股市相对于桉树在刚果沿海平原(19,51)。贫营养细菌,甚至非惯用的门,放线菌发挥在碳循环的地步的作用,主要在贫瘠土壤由于其相对较大比例的基因与植物残渣分解和关键参与种间相互作用(57)。在连续在中国东北大米种植制度,严et al。43)的统治地位变形菌门,拟杆菌门,厚壁菌门,Acidobacteria,Verrucomicrobia基于他们的相对丰度,增强土壤微生物丰富;然而,作者发现在土壤微生物多样性没有区别。因此,回答的第一个问题是:它表明人类活动(工业、农业)如何改变土壤细菌群落在不同生态系统和土壤健康的影响和好处,通过四个人类福祉的17个西班牙联合国可持续发展目标:改变我们的世界|联合国17粒进球,图1和表1)。

普遍存在的放线菌门可能有利于土壤属性和促进通过C封存SOM动力学和土壤健康和/或土地复垦

工业过程,如生物质和化石燃料的燃烧,随着畜牧业生产,产生大气H₂除了自然资源(46)。调查显示的主导地位放线菌门地区与高浓度的H₂年代表现出硫循环是在多大程度上影响动态环境条件(49)。的放线菌门是最广泛分布在土壤细菌类群,港口大量退化植物残体的能力在体外(50,57,59)。作为一个事实,放线菌在有机质周转扮演一个重要组成部分,和腐殖质形成的碳循环分解有机物质如纤维素和甲壳素和填充土壤中的养分的供应(50)。此外,放线菌固氮,涉及一个增强N microbial-driven植物残渣分解过程中可用性(60)和抗生素的生产(57)。这两个特点导致加强采购碳源的能力,保护他们免受环境扰动(57,59,60),有可能提高C封存和影响减缓气候变化和恢复退化土地。不仅微生物群落组成与生物地球化学的养分循环(N), C、S、C / N, P和土壤肥力(图2),而且土壤功能,即。,C sequestration, N, S, O, and P cycles and availability as well as to land reclamation (表1)。图2系统化的基本土壤生物的角色(例如,土壤微生物群落)在生物地球化学循环和土壤肥力,使监管、保护和生态系统的效率(32)。土壤生物是关键参数的物理,化学,和生物提高土壤肥力,使土壤C积累或N矿化等功能。门的成分和丰富rhizomicrobial社区(松果体tabuliformis卡尔。森林)研究了使用高通量DNA测序在华北(55)。作者报道一个增强放线菌,变形菌门,厚壁菌门丰富,即使变形菌门被公认为梯形root-driven C积累在原生演替和生物吗担子的核心root-driven C积累在高潮的社区(55)。

此外,由于人类活动的变化,如植树造林,通过改善土壤健康,即。,enhanced soil attributes (C, N, P, S), may be linked to bacterial community composition (prevalence of放线菌门)在刚果的沿海平原。增加C股票,即。0.8 t哈⁻¹在金合欢单作站(100%)和1.9公顷⁻¹杂交物种(50%相思,相思50%桉)是相对于桉树单作(100%)下降到25厘米的第一个7旋转的报告(6,19)。高N站包含金合欢,股市即。,1.25±0.02公顷⁻¹(金合欢单作)和1.28±0.03公顷⁻¹(混合acacia-eucalyptus)相对于1.19±0.02公顷⁻¹(桉树单作)站在同一深度也概述了(19)。此外,它也被报道,在前两年的第二旋转,看台上包含N累积净金合欢拥有更高的价值的股票,即。343±21公斤公顷⁻¹(金合欢)和287±17公斤公顷⁻¹(acacia-eucalyptus)相比189±12公斤公顷⁻¹(桉)(22)。这个改善N状态是通过N浓度还透露的粗颗粒有机物(POM, 4000 - 250µm),这是在金合欢(100%)比在桉树高30%(100%)站在第二年的第二个7旋转在0 - 5厘米深度(20.)。除了C和N浓度的增加代表包含金合欢桉树相比,可用低磷(P)包含金合欢代表相对于桉树,而相反趋势观察(28)。浓度较高的年代是在站报告包含金合欢窝藏C股票相对于桉树单作(越高6,28)。虽然P共生大气需要N₂固定的固氮物种(27),可用P的下降在站包含金合欢(26),所有造林站包含比天然热带稀树草原可用P (23)。这突显出有针对性的生态系统潜在的减缓气候变化(C封存),导致食品安全通过改善土壤肥力(主要是N),可持续土壤管理(土地复垦),和人类福利。和四(2、3、13、15)17个西班牙的联合国(6,14,28,31日,37)。不同的研究发表全球证实人工林生态系统的强烈依赖,尤其是那些天生贫瘠土壤,如刚果沿海平原和整个刚果盆地(6,11,31日),对土壤功能之间的联系(C封存,养分循环等)、环境、土壤生物和人类活动驱动的。

人类活动对土壤健康的整体效果

人类活动可能影响环境和影响过程中植物、土壤和环境受土壤生物群(31日,35,44,54)。在审查,来评估这些影响主要在土壤水平,特别是关于其健康(37,40,41,52,图3)。众所周知,SOM动力学涉及土壤健康和增强功能的变化,进一步影响生态系统的生物多样性和环境(32,35,61年)。有可能影响人类健康的土壤功能增强或抑制某些受土壤生物过程,导致安全食品、减缓气候变化,并保持土壤管理土地复垦和生态系统生物多样性(35,37,53)。审查的整体示意图表示正在考虑土壤,尤其是其健康、依赖之间的交互环境,土壤功能由土壤生物和人类活动和幸福。在刚开始的时候是积极的还是消极的人类活动影响土壤的健康。负面影响可能直接与本文中提到的,即,deforestation, building (roads, houses), mining, and oil exploitation. There are also indirect negative impacts, such as those linked to climate change or land degradation initiated by humans.

积极影响的人类活动也会直接或间接的。被认为是唯一直接影响综述(良好农业规范,农林、植树造林和再造林)。这些人类活动促进土壤健康通过启用目标如食品安全、减少贫困、适应气候变化和弹性,对抗污染,沙漠化、恢复退化土地,保护水资源,促进生态系统的生物多样性,维持森林生产力(提供木材和燃料能源和保护自然森林)。这些目标可能导致七17个联合国的西班牙(可持续发展目标:目标改变我们的世界|联合国17日),即,SDG 1 “No poverty,” SDG 2 “Zero hunger,” SDG 3 “Good health and Well-being,” SDG 6–”Clean water and sanitation,” SDG 7 “Affordable and clean energy,” SDG 13 “Climate action,” and SDG 15 “Life on land.” On the contrary, human activities inducing negative impacts on soil health will threaten the mentioned above goals, i.e., the seven out of 17 SDGs (图3)。

碳封存、增强土壤生物多样性、土壤养分增加可用性和聚合等产生的利益人类活动对土壤健康的积极影响。缺点(侵蚀、压实生物多样性的损失,损失的化学肥力,盐度、和酸化)相反减少土壤的能力履行其功能和满足七17西班牙的联合国。是非常重要的注意,土壤微生物群落,即。,soil organisms in general, are at the center of this schematic representation (图2,3)。这表明土壤生物在第一级驱动和控制土壤功能,然后在第二个层面通过土壤生态系统服务功能(31日- - - - - -33,56)。人类活动可能影响环境(42,43),但土壤的功能,生态系统,即环境强烈依赖于他们的互动。、土壤生物之间的相互作用、植物、环境和人类活动。

结论

本文强调了人类活动对土壤属性的潜在影响,尤其是对土壤细菌群落组成。这些影响可能积极的还是消极的影响土壤属性,提高或降低土壤的健康。也报道,森林种植园在贫瘠土壤的可持续性强烈依赖于土壤生物调节土壤之间的交互功能,环境和人类活动。当前的研究结果不仅有助于维持森林生产力和促进土壤健康身体,化学和生物,也使人口福利水平。他们也将有助于防止土地退化,减缓气候变化,提供(木材和燃料能源),即。,leading to preserve natural forests in the entire region of the Congo Basin, and finally, contribute to seven out of the 17 SDG United Nations goals.

此外,主要的门的有益影响放线菌SOM分解显示,改善土壤属性(增加C、N股、和P可用性)。人类活动的潜在影响(石油开采)的细菌社区森林生态系统在刚果沿海平原必须确认。进一步的研究必须进行森林种植园位于沿海平原地区邻国布拉柴维尔,北部的国家。这些研究应该证明的强烈依赖森林种植园土壤之间的交互功能,人类活动和环境。他们还将展示如何脆弱,天生贫瘠土壤的属性密切相关的植被(绿化)和环境,确定其发展和可持续性以及预防的退化。

作者的贡献

作者证实了这项工作的唯一贡献者和已批准出版。

确认

L-SK谢谢Tamas Onodi为编辑和两个审稿人的建议,建议,致力于改善。

的利益冲突

作者说,这项研究是在没有进行任何商业或金融关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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