不同环境条件下水稻土硝酸盐还原过程及其功能微生物特征

发布时间：2018-03-03 13:05

本文选题：水稻土　切入点：厌氧铵氧化作用　出处：《华中农业大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：水稻是重要的粮食作物,在我国农业生产中占据重要地位。水稻田由于独特的耕作管理制度,大部分时间处于淹水状态,并伴有间歇性落干,长期干湿交替导致水稻土氧化还原反应活跃。同时,水稻根际的泌氧作用也使得稻田土壤长期处于有氧/无氧并存的状态,既利于硝化作用过程发生,也利于硝酸盐还原过程,使得其中氮元素的氧化还原反应剧烈。稻田土壤中过量的氮肥投入可通过硝酸盐还原过程如厌氧铵氧化作用和反硝化作用还原产生N_2,反硝化过程中还可能释放强效应的温室气体N_2O,导致氮素大量损失和温室气体排放。研究驱动水稻土中硝酸盐还原作用的环境影响因子及相关微生物学机理,对于提高稻田氮肥利用效率,减少氮对环境的负面影响有重要意义。因此,在本研究中,我们沿滨海向内陆方向采集了一系列代表不同盐度、pH、有机碳水平的水稻土64份,通过~(15)N标记技术结合定量PCR、克隆测序和Illumina Miseq高通量测序等分子生态学技术研究方法,研究不同环境条件下反硝化作用和厌氧铵氧化过程的反应速率及其参与这两个过程的功能基因的变化特征。在此基础上,通过室内模拟培养实验,深入探讨了3个代表性土壤中硝酸盐还原过程及其关键功能基因的相互关系。取得结果如下:1)对野外样品的同位素示踪实验结果表明,供试水稻土中厌氧铵氧化作用(Anammox)活性较低,速率为0-0.479 nmol N g~(-1)干重h~(-1),且在部分样品中无法检测得到,该过程对N2产生的相对贡献率为0-12.9%。反之,反硝化过程反应速率在0.84-31.314nmol N g~(-1)干重h~(-1)之间,对N2产生的贡献率87.1%-100%,表明反硝化作用是水稻土N2损失的主要途径。对Anammox细菌16S rRNA基因和功能基因hzsB的克隆测序分析表明,所有样品中Anammox细菌群落结构较为单一,只有一个优势种群,Candidatus Scalindua属主要分布在高盐高pH的沿海滩涂沉积物(TT)样点中,而其他土壤样品以Candidatus Brocadia属为主。冗余分析(Redundancy analysis,RDA)表明厌氧铵氧化细菌群落组成与pH、C/N、含水量以及EC显著相关。2)对野外样品的硝化、反硝化潜势及其功能基因定量分析显示,水稻土的硝化与反硝化潜势都很高,且表层土壤高于亚表层土壤;古菌-nirK基因的丰度在随着盐分含量降低而降低,在海边滩涂沉积物表层沉积物(参照样品)中最高,达2.42×10~8 copies g~(-1)干重,在滨海盐渍土壤中约2.73×10~5-2.49×10~7 copies g~(-1)干重,而在内陆水稻土中甚至检测不到。与之相反,细菌nirK基因在所有土样中均有分布,丰度在1.23×10~7-7.36×10~7 copies g~(-1)干重。古菌nirK基因丰度与pH、EC呈正相关关系,与DEA呈负相关关系,而细菌nirK基因丰度与NH_4~+、DOC、DON和DEA都呈现显著正相关,表明古菌参与的反硝化作用只在高pH、高EC的环境才起到主导作用。克隆测序分析表明AnirK基因序列都属于奇古菌门,且水稻土来源的nirK基因序列与滨海沉积物和湿地样品序列相距较远,pH和EC是影响奇古菌门-nirK基因组成差异的主要因子。细菌nirK基因Miseq测序研究结果表明,水稻土样品的nirK基因多样性更高,表层土壤丰富度更高,其中TT、SY和FQ这3个高盐高pH样点主要以Bacteria_unclassified的细菌为优势菌群,同时该菌群在其他水稻土中也占有30%左右的丰度,而其他水稻土中主要以根瘤菌目和变形菌纲占优势,pH和EC也是细菌nirK基因分布的主要环境因子。3)为进一步验证含nirK基因的古菌在反硝化作用中的活性及影响其活性的关键因素,我们选取了代表高盐高pH的滩涂沉积物(TT)和代表中、低盐分和pH的2个水稻土(FQ,HZ)进行微宇宙培养实验,实验结果表明:三种土壤的反硝化活性表现为FQTTHZ,随着培养时间的增加反硝化速率下降;饱和含水量条件下,样品中反硝化活性显著高于淹水处理。对应地,古菌-nirK基因在FQ样品中最高,TT中次之,而在HZ样品中检测不到,且在饱和含水量条件下显著高于淹水处理条件;反硝化速率与古菌-nirK基因丰度呈显著正相关关系,但与细菌nirK基因呈现负相关关系,表明古菌在FQ和TT样品的反硝化作用中起重要贡献。在培养过程中,HZ土壤样品的硝态氮累积和N_2O产生明显低于FQ和TT,NH_4~+含量显著高于FQ和TT,表明培养过程中可能发生了硝酸盐异化还原成铵作用。古菌-nirK基因的群落组成与野外样品调查结果相一致,AnirK都归属于奇古菌门下,其中Cluster Ⅰ和Ⅱ主要是来自水稻土FQ样品,而Cluster Ⅲ和Ⅳ这两个簇主要为海边滩涂沉积物TT样品,同时pH、EC以及无机氮是影响AnirK基因丰度及其群落分布的主要环境影响因子。
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【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S154.3;S153

【参考文献】