水产养殖与食品加工密集地区海域硝化微生物的丰度、群落结构研究
发布时间：2020-08-20 23:19
【摘要】：微生物介导着海洋氮循环,调控着生物可利用的营养物质、初级生产力以及温室气体的产生和消耗,海洋微生物生态是海洋生态系统的重要组成部分。近几十年来,以湛江为代表的粤西地区,由于水产养殖业和食品加工业的快速发展,近岸海域的富营养化作用加重,对粤西海域的微生物生态造成一定影响。对这一地区海域的微生物生态调查,对于认识环境状况,制定环境保护和治理对策,具有十分重要的现实意义。硝化作用,由氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)驱动的氨氧化过程和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)执行的亚硝酸盐氧化过程构成,是海洋氮循环的关键中心环节。氨氧化微生物在自然界中广泛分布,它们的相对丰度、生物多样性以及对整个硝化作用的相对贡献因环境而异;NOB一直被人们忽略,直到最近发现NOB除了氧化亚硝酸盐之外,还具备多种其它生态功能才获得重视。目前,对热带近海硝化微生物的时空分布特征认识还远不足,因此,针对相同地域AOA、AOB和NOB的时空分布规律进行研究具有科学意义。本研究基于氨单加氧酶(ammonia monooxygenase,AMO)基因(amoA)和亚硝酸盐氧化还原酶(nitrite oxidoreductase,NXR)基因(nxrB),通过荧光定量PCR和扩增子高通量测序首次从湛江湾湾内至南海西北部方向上对氨氧化微生物和亚硝酸盐氧化细菌丰度、多样性以及群落结构与环境因子的相关性进行研究。得出以下结论:1.湛江湾内冬季AOB丰度显著高于其他季节,AOA丰度稳定在10~5copies,Nitrospira属丰度显著高于Nitrospina属丰度。从湛江湾口外延至粤西跨陆架海域,水平方向上,AOA丰度不断增加,AOB丰度稳定在10~6数量级;Nitrospira和Nitrospina属丰度从近岸至跨陆架中部不断增加,随后保持稳定。南海西北部海域垂直方向上,AOA随着采样深度的增加而不断增加,至真光层中部(100m水深)到达丰度最大值,往下趋于稳定,AOB丰度稳定在10~5数量级;Nitrospira在表层丰度最大,随着采样深度的增加而不断减少,至真光层中部(100m水深)到达丰度最小值,往下保持稳定,Nitrospina在近表层(0-50m水深)丰度几乎无差异,随着采样深度的增加而不断增加。2.湖光玛珥湖生境中AOA和AOB、Nitrospira和Nitrospina属的生物多样性最低,而以上菌群在湛江湾生境表现出最大生物多样性。氨氧化微生物在不同生境中的群落组成存在显著差异:湛江湾和湖光玛珥湖生境中AOA的主要种属均为Nitrosopumilus,湛江湾水体中主要的AOB种属为Nitrosomonas,而湛江湾沉积物和湖光玛珥湖沉积物中AOB的优势菌属为Nitrosospira。Nitrospira和Nitrospina在不同生境中的组成也显著差异,Nitrospira在各生境中普遍存在,而Nitrospina几乎只存在于咸水生境。3.温度(P0.01)、盐度(P0.05)、pH(P0.001)和硝酸盐浓度(P0.05)显著影响湛江湾和湖光玛珥湖中AOA的群落结构,同样AOB的群落结构也受到温度(P0.05)、盐度(P0.05)和硝酸盐浓度(P0.001)的影响。Nitrospira属群落结构受到温度(P0.001)、盐度(P0.05)、pH(P0.001)以及溶解氧含量(P0.01)的共同影响,Nitrospina属群落结构仅受到温度(P0.05)和溶解氧(P0.01)含量的影响。温度和溶解氧调控着湛江湾内氨氧化微生物的基因丰度,Nitrospira和Nitrospina属丰度除了受到温度和溶解氧以外,还受到铵盐、亚硝酸盐以及硝酸盐浓度的共同影响。
【学位授予单位】：广东海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q938
【图文】：
水产养殖与食品加工密集地区海域硝化微生物的丰度、群落结构研究金属含量调查时发现，养殖区均受到铜、镉、锌、砷、铅、铬等不同程度污染，其中牡蛎中砷超标最为严重[5]。2017 年中国海洋生态环境状况公报显示，近岸污染海域主要分布在黄河口、长江口、珠江口等近岸区域，超标要素主要为无机氮、活性磷酸盐和石油类。夏季和秋季，呈重度富营养化状态的海域面积分别为 15130 和 24400 平方公里，其中南海夏季和秋季重度富营养海域面积分别为 1870 和 1390 平方公里，因此夏季赤潮频发，累积面积达 1048 平方公里，严重影响了粤西近海水产养殖、生态平衡，甚至旅游、航运等人民生活和工农业生产。
图 1-2 自然界中氮循环示意图[8]Fig. 1-2 Nitrogen cycle in nature微生物转化通常被描述为一个以 6 个不同过程进行的有序循规则说明一份子 N2首先被固定成 NH3，随后被同化为生物质释放出 NH4+，被氧化成 NO2-继而再氧化生成 NO3-；NO3-最中，完成氮在大气圈、生物圈和水陆圈之间不同形态的转变用（nitrogen fixation）、硝化作用（nitrification）、反硝化作用（d作用（anammox）、氨同化作用（assimilation）、氨化作用（am是细菌，在所有氮转化过程中扮演着重要作用。近十几年学技术的发展，预测和发现了许多参与氮循环过程的新型微氧化成硝酸盐的全程氨氧化微生物（comammox）[9-10]、氨氧化的真核有孔虫[12]以及共生异养的固氮蓝藻[13]。这一系列新发环微生物的传统认知，丰富了我们对于氮循环的理解。化近海水体中的生物脱氮，主要依赖微生物通过矿化作用、水体中的有机质、氨氮、亚硝氮和硝氮转变成 N2释放到大
图 1-3 基于 16S rRNA 基因（a）和 amoA 基因已知的氨氧化古菌系统发育分析[31]Fig. 1-3 Phylogenetic analysis ofAOA based on 16S rRNA gene (a) and amoAgene到目前为止，AOB 已有两个公认的谱系：β-和γ-变形菌纲（proteobacteria）。其中 Nitrosomonas、Nitrosospira 这两个属构成了自然水生环境中最主要的β-AOB。在污水处理系统等污染较严重的水体环境中，Nitrosomonas 属是 AOB 的优势菌属[32-37]。比较特殊的 Nitrosococcus 属是γ-AOB 中唯一的一个属，是海洋沉积物中主要的 AOB群落[38]。自然界中未可培养 AOB 的普遍存在引起了学术界对其多样性和功能的极大关注。由此，除了 16S rRNA 基因以外，其他的分子标记开始使用。氨单加氧酶（AMO）是使氨转化为羟胺的重要跨膜酶，编码这种酶的操纵子包含 3 个基因（amoA、amoB和 amoC），通过测序，编码 Nitrosomonas europaea 氨单加氧酶活性位点的基因 amoA基因成为自然界研究 AOB 多样性的分子标记，基于 amoA 基因的系统进化树见图1-4[39]。3、影响氨氧化微生物群落结构的环境因素由于受海陆相互作用和人类活动影响，河口及邻近海域经常经历潮汐变化、盐分
【学位授予单位】：广东海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q938
【图文】：
水产养殖与食品加工密集地区海域硝化微生物的丰度、群落结构研究金属含量调查时发现，养殖区均受到铜、镉、锌、砷、铅、铬等不同程度污染，其中牡蛎中砷超标最为严重[5]。2017 年中国海洋生态环境状况公报显示，近岸污染海域主要分布在黄河口、长江口、珠江口等近岸区域，超标要素主要为无机氮、活性磷酸盐和石油类。夏季和秋季，呈重度富营养化状态的海域面积分别为 15130 和 24400 平方公里，其中南海夏季和秋季重度富营养海域面积分别为 1870 和 1390 平方公里，因此夏季赤潮频发，累积面积达 1048 平方公里，严重影响了粤西近海水产养殖、生态平衡，甚至旅游、航运等人民生活和工农业生产。
图 1-2 自然界中氮循环示意图[8]Fig. 1-2 Nitrogen cycle in nature微生物转化通常被描述为一个以 6 个不同过程进行的有序循规则说明一份子 N2首先被固定成 NH3，随后被同化为生物质释放出 NH4+，被氧化成 NO2-继而再氧化生成 NO3-；NO3-最中，完成氮在大气圈、生物圈和水陆圈之间不同形态的转变用（nitrogen fixation）、硝化作用（nitrification）、反硝化作用（d作用（anammox）、氨同化作用（assimilation）、氨化作用（am是细菌，在所有氮转化过程中扮演着重要作用。近十几年学技术的发展，预测和发现了许多参与氮循环过程的新型微氧化成硝酸盐的全程氨氧化微生物（comammox）[9-10]、氨氧化的真核有孔虫[12]以及共生异养的固氮蓝藻[13]。这一系列新发环微生物的传统认知，丰富了我们对于氮循环的理解。化近海水体中的生物脱氮，主要依赖微生物通过矿化作用、水体中的有机质、氨氮、亚硝氮和硝氮转变成 N2释放到大
图 1-3 基于 16S rRNA 基因（a）和 amoA 基因已知的氨氧化古菌系统发育分析[31]Fig. 1-3 Phylogenetic analysis ofAOA based on 16S rRNA gene (a) and amoAgene到目前为止，AOB 已有两个公认的谱系：β-和γ-变形菌纲（proteobacteria）。其中 Nitrosomonas、Nitrosospira 这两个属构成了自然水生环境中最主要的β-AOB。在污水处理系统等污染较严重的水体环境中，Nitrosomonas 属是 AOB 的优势菌属[32-37]。比较特殊的 Nitrosococcus 属是γ-AOB 中唯一的一个属，是海洋沉积物中主要的 AOB群落[38]。自然界中未可培养 AOB 的普遍存在引起了学术界对其多样性和功能的极大关注。由此，除了 16S rRNA 基因以外，其他的分子标记开始使用。氨单加氧酶（AMO）是使氨转化为羟胺的重要跨膜酶，编码这种酶的操纵子包含 3 个基因（amoA、amoB和 amoC），通过测序，编码 Nitrosomonas europaea 氨单加氧酶活性位点的基因 amoA基因成为自然界研究 AOB 多样性的分子标记，基于 amoA 基因的系统进化树见图1-4[39]。3、影响氨氧化微生物群落结构的环境因素由于受海陆相互作用和人类活动影响，河口及邻近海域经常经历潮汐变化、盐分
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本文编号：2798574
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