湿地岸边带新型氨氧化微生物分布及相互关系

发布时间：2020-05-27 06:24

【摘要】：湿地生态系统具备水陆交错带良好的特性,是氮循环生物地球化学循环的热区,对氨氮有很好的截留效应。对氨氮去除起主要作用的微生物是comammox、anammox、AOA和AOB。至今,四种氨氧化微生物对氨氮去除的相对贡献尚不明确。所以,测定comammox、anammox、AOA和AOB的丰度以及种群结构,探明湿地岸边带生态系统中影响comammox、anammox、AOA和AOB分布和发生的环境因子对于评价湿地岸边带生态系统中氨氧化过程以及氨氮去除具有重要意义。本论文研究的目的是研究湿地岸边带生态系统中comammox的发生、分布和贡献。与厌氧氨氧化和传统氨氧化相比,对comammox在湿地岸边带生态系统中氨氧化作用有一个新的认识。在不同季节和空间分布下采集芦苇根际和非根际样品,根据分子生物学方法、~(15)N同位素示踪技术、高通量测序、克隆文库以及数理统计分析等手段。具体得到如下结论:(1)在湿地岸边带土壤/沉积物样品中,基于amo A功能基因的comammox细菌丰度为1.04±0.22×10~8-3.19±0.39×10~8拷贝g~(-1),基于amo A功能基因的AOA的丰度为7.34±0.15×10~8-2.39±0.31×10~9拷贝g~(-1),而基于amoA功能基因的AOB的丰度为6.33±0.40×10~6-5.13±0.27×10~7拷贝g~(-1)。此外,基于nxr B功能基因的Nitrospira细菌丰度为2.43±0.88×10~8-1.10±0.52×10~9拷贝g~(-1),基于hzsB功能基因的anammox细菌丰度为9.93±3.14×10~3-1.49±0.24×10~7拷贝g~(-1)。另外,anammox细菌活性为0.00±0.00-6.55±0.61 nmol N g~(-1) h~(-1)。无论冬季还是夏季岸边带沉积物A点anammox细菌丰度和活性均最高,而且从岸边带沉积物A点到岸边带中间土壤D点,anammox细菌丰度和活性呈下降趋势。综上所述,无论季节还是土壤类型,AOA的丰度最高,其次Nitrospira、comammox、AOB和anammox细菌,表明它们在岸边带湿地生态系统中共存并且有一定的竞争关系。推测氨氮的去除可能主要由AOA主导,同时comammox细菌在氨氧化的过程中起到一定的作用乃至整个氮循环过程起着不可忽视的作用以及anammox细菌在岸边带沉积物中起主要的作用。(2)Pearson相关性分析的结果表明,comammox和Nitrospira细菌丰度与NO_2~-、NO_3~-和NH_4~+浓度无显著相关性,推测comammox细菌可能在底物浓度低至一定阈值后,其物种丰度不受底物浓度的调节。Anammox细菌丰度和活性与含水率(WC)均显著正相关而与TC浓度显著负相关,而anammox细菌丰度和活性与底物NO_2~-和NH_4~+浓度无显著相关性,推测anammox细菌在岸边带湿地生态系统中的分布与贡献可能受含水率的影响。AOA的丰度与TC和TOM显著正相关。而AOB的丰度与TN和TC显著正相关。可见,底物不是决定comammox、Nitrospira、anammox、AOA和AOB细菌发生与分布的唯一因素,而是受其他关键环境因子(WC、TN、TC和TOM)以及微生物的驱动。(3)Comammox细菌丰度与Candidatus Nitrospira nitrificans的相对丰度显著正相关,而且与Candidatus Nitrospira nitrificans和Candidatus Nitrospira nitrosa二者相对丰度之和也显著正相关,推测comammox细菌丰度对Nitrospira细菌丰度有很大的贡献。Nitrospira细菌丰度与Candidatus Nitrospira nitrificans的相对丰度以及Candidatus Nitrospira nitrificans和Candidatus Nitrospira nitrosa二者相对丰度之和均具有显著正相关,综上表明Candidatus Nitrospira nitrificans和Candidatus Nitrospira nitrosa二者在comammox和Nitrospira中的重要性以及在岸边生态系统中不可忽视的作用。此外,anammox细菌活性与anammox细菌丰度显著正相关。Anmmox细菌丰度和活性均与comammox细菌丰度呈显著负相关,推测anammox和comammox细菌在岸边带湿地生态系统中共存并且可能是竞争的关系。总之,我们证明了comammox存在完全硝化作用,以及comammox对湿地岸边带生态系统中自养硝化作用的调解的重要作用且以前未被认识到的贡献。这些结果将极大地促进对广泛分布的岸边带生态系统中的comammox过程的理解。本研究首次研究了comammox的发生与分布以及研究comammox、anammox和传统氨氧化微生物之间的相互作用。因为氨氧化是生物地球化学氮循环的关键组成部分,所以填补当前这一知识的空白是非常的重要。
【图文】：

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足的养分；水位不断波动在岸边带形成了好氧-厌氧交替的环境，使不同微生物占据不同的生态位。图1-1 水陆交错带示意图（引自祝贵兵研究员PPT）Figure 1-1 The schematic diagram of land-freshwater interfaces地球上氮循环过程是由一系列的氧化-还原反应所组成，而一些功能微生物则是这些反应的“催化剂”。氮循环过程的研究始于 19 世纪，传统的氮循环理论认为大气中的氮气被陆地或海洋中的固氮微生物固定为铵态氮，，接着硝化微生物将氨氮氧化为亚硝态氮或硝态氮，最终被反硝化微生物还原为氮气形成闭合的氮循环系统。然而，新型氮循环微生物和新型氮循环过程不断地被发现，使人们对氮循环过程有了新的认识与理解，近几年新型氨氧化微生物（厌氧氨氧化细菌（anammox）和氨氧化古菌（AOA））的发现使得人们对氮循环过程有了更加深入的理解与认识，并引起了氮循环微生物研究的热潮。目前比较完整的氮循环主要包括 6 个过程[9]：①固氮作用；②好氧氨氧化作用；③亚硝酸盐氧化作用；④反硝化作用；⑤厌氧氨氧化作用；⑥硝酸盐异养还原作用等过程（图 1-1）。然而

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图 1-2 目前已知的氮循环主要过程[9]Figure 1-2 Main processes in natural nitrogen cycle[9]化过程氧化的发现化过程首先由氨氧化细菌 / 古菌（ Amm, 缩写：AOM）将氨氧化成亚硝酸盐,再由亚硝硝酸盐氧化成硝酸盐的过程。其中氨氮和亚硝酸养生长的能源而且不需要其他有机化合物，仅依15年12月，3个科研团队发现了 3种经过富集的sa, Candidatus Nitrospira nitrificans 和 Cand种未经过纯培养的细菌（类 Nitrospira）[10-12]，酸盐的能力，从而证明了 Costa 等[13]提出的单
【学位授予单位】：吉林建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X172

【参考文献】