太湖沉积物厌氧氨氧化细菌分布、多样性及其活性研究

发布时间：2020-06-14 03:43

【摘要】：厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,anammox)过程是近二十年来颠覆人们对微生物氮循环认识的重要过程之一(Jetten et al.2009)。一直以来,人们普遍认为反硝化过程是唯一能够产生氮气的微生物过程。Anammox过程的发现不仅证实了存在氧化NH4+同时还原NO2-产生氮气的理论依据(Mulder et al.1995),而且为新的废水脱氮工艺的开发与应用提供了可能(Kartal et al.2010)。目前研究发现,anammox细菌广泛存在于海洋,陆地、淡水等各种各样的自然生态系统中(Humbert et al.2010,Hu et al.2011),但是anammox细菌在富营养湖泊的沉积物环境中的分布、群落组成、多样性和氮转化速率仍不全面,其主要环境驱动因子尚需探明。本研究选取富营养湖泊太湖的沉积物作为研究对象,探究不同湖区不同深度的0-10 cm沉积物中anammox细菌的水平和垂直分布特征,并分析其主要环境驱动因子。本研究采用微电极系统测定沉积物柱中DO(dissolved oxygen)、Eh(oxidation-reduction potential)等理化性质,采用定量 qPCR(Quantitative PCR)测定相关微生物的基因丰度,采用IlluminaMiseq高通量测序、DGGE图谱等技术手段测定和计算相关微生物的群落结构和多样性特征,并采用15N同位素标记技术测定沉积物中anammox过程和反硝化过程的N转化速率,以期综合评价富营养的太湖沉积物中anammox细菌的分子生态学和活性特征受营养水平、植被类型和沉积物环境的影响。主要结果如下:(1)对太湖三个湖区梅梁湾(ML)、贡湖湾(GH)和胥口湾(XK)0-10 cm沉积物中的anammox细菌丰度、AOA丰度和AOB丰度研究结果显示:anammox细菌、AOA和AOB丰度均呈现0-5cm泥层显著高于5-lOcm泥层的趋势。此外,ML样点的anammox细菌和AOB丰度均显著高于其他两个样点,而ML样点的AOA丰度显著低于其他两个样点。回归分析显示沉积物中TN、NH4+-N和TOC含量对anammox细菌丰度,DOC和TOC含量对AOA丰度,TN和NO2--N含量对AOB丰度均有显著影响。太湖不同湖区沉积物中anammox细菌和AOB的群落结构也存在样点差异,其中ML样点与其他两个样点的差异性最大。TN含量、NO2--N含量、pH值、TOC/TN和DOC含量是影响anammox群落和AOB群落分布不可忽视的重要因子。总之,0-5 cm深度的表层沉积物是具有氨氧化功能的微生物集中区域;相比湖泊类型,营养水平可能对anammox细菌和好氧氨氧化菌的分布和群落影响更强烈。(2)对太湖梅梁湾(HN)和湖心(LN)样点沉积物中anammox细菌垂直分布特征研究结果显示,在LN样点中anammox细菌相对丰度随着深度的增加而出现先增加后降低的趋势,在2-4 cm深度处达到峰值;而在HN样点anammox细菌相对丰度则随深度变化趋势不显著。另外,群落组成分析结果表明Candidatus Brocadia spp.占anammox细菌总量的83.5-100%,是沉积物中最主要的anammox细菌属。而Candidatus Kuenenia spp.虽然在LN样点各深度均被检出,但在HN样点只分布在沉积物4-5 cm深度处。回归分析和RDA分析指出TN和NH4+-N含量是影响anammox细菌的相对丰度和群落组成最关键的因子。此外,anammox细菌的多样性指数存在显著的样点差异,多样性主要DOC、TOC、NH4+-N和pH等因素影响。总之,N素营养水平会强烈影响沉积物柱中anammox细菌相对丰度和群落结构的垂直分布。(3)太湖不同湖区沉积物中anammox速率为4.3±2.9 nmol N2 g-1 h-1至30.3±11.5 nmolN2g-1h-1,显著高于沉积物中反硝化速率,沉积物anammox速率在不同湖区之间差异不显著。我们推测前者与沉积物中NH4+-N、温度和TOC/TN具有很大联系,而后者则与湖泊内部的异质性有关。此外,碳源和pH控制实验结果也显示强酸条件和添加碳源对anammox速率具有明显的抑制作用,而强碱条件对anammox速率具有促进作用。所以,我们推断在较低碳含量的碱性湖泊沉积物中anammox细菌可能承担着更重要的脱氮作用。 【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X524;X172

【图文】：

氮循环,张丽,过程,示意图

第１章绪论逡逑１．１厌氧氨氧化作用研究进展逡逑氮循环是重要的地球生物化学循环之一（图１．１），氮循环中氮素转化过程复逡逑杂多样，其主要过程及其主导催化酶种类繁多，功能多元（表１．１）。近二十年来，逡逑人们对氮循环的认识发生了巨大改变。这种改变得益于氮转化过程的不断革新及逡逑其相关微生物的不断发现。其中，除我们所熟知的古菌的好氧氨氧化作用逡逑（ａｍｍｏｎｉｕｍ邋ｏｘｉｄａｔｉｏｎ邋ｂｙ邋Ｃｒｅｎａｒｃｈａｅａ）外的另一大重要过程就是厌氧氨氧化作用逡逑（ａｎｅａｒｏｂｉｃ邋ａｍｍｏｎｉｕｍ邋ｏｘｉｄａｔｉｏｎ，邋ａｎａｍｍｏｘ）邋（Ｓｔｒｏｕｓｅｆｏ／．邋１９９８，邋Ｓｔｒｏｕｓｅ／ａ／．邋１９９９，逡逑Ｆｒａｎｃｉｓ邋ｅ／邋0／．邋２００７）。厌氧氨氧化作用的发现丰富了人们对缺氧条件下Ｎ素转化逡逑及其相关微生物代谢过程的认识。目前，从微生物种类与功能角度可将氮循环分逡逑解代谢过程划分为五个主要的过程，除传统的好氧氨氧化过程，亚硝酸盐氧化过逡逑程，反硝化过程，异化硝酸盐还原为铵过程外，增加了缺氧环境下发生的厌氧氨逡逑氧化过程（Ｊｅｔｔｅｎｄｄ邋２００９）。厌氧氨氧化过程和其他新颖的氮转化过程的逐渐逡逑认识，有力地例证了微生物世界中无穷的生物多样性和氮转化代谢潜力（Ｊｅｔｔｅｎ．逡逑２００８）。逡逑￣逦％邋仙逦Ｎ’：逡逑ＮｇｆｔＷ逦Ｍ邋挥发邋｜ｆ逦１邋‘逡逑Ｎｒｆｉｘａｔｉｏｎ邋ｒ逦Ａｍｍｏｎｉａ邋｜邋＇逡逑ｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ邋＾邋；逦｜逦ｉ？丨化作ｒｔｌ逡逑好l#逦ｆｉ粒态有机Ｍ（ＰＯＮ）逦—？？邋ＮＨ；逦—？邋Ｎｌｔｒ＇＾ａｔｉｏｎ—＿？邋ｎｏ３－逡逑Ｈｖ；

系统发育树,细菌,氮循环,厌氧氨氧化

第１章绪论逡逑１．１厌氧氨氧化作用研究进展逡逑氮循环是重要的地球生物化学循环之一（图１．１），，氮循环中氮素转化过程复逡逑杂多样，其主要过程及其主导催化酶种类繁多，功能多元（表１．１）。近二十年来，逡逑人们对氮循环的认识发生了巨大改变。这种改变得益于氮转化过程的不断革新及逡逑其相关微生物的不断发现。其中，除我们所熟知的古菌的好氧氨氧化作用逡逑（ａｍｍｏｎｉｕｍ邋ｏｘｉｄａｔｉｏｎ邋ｂｙ邋Ｃｒｅｎａｒｃｈａｅａ）外的另一大重要过程就是厌氧氨氧化作用逡逑（ａｎｅａｒｏｂｉｃ邋ａｍｍｏｎｉｕｍ邋ｏｘｉｄａｔｉｏｎ，邋ａｎａｍｍｏｘ）邋（Ｓｔｒｏｕｓｅｆｏ／．邋１９９８，邋Ｓｔｒｏｕｓｅ／ａ／．邋１９９９，逡逑Ｆｒａｎｃｉｓ邋ｅ／邋0／．邋２００７）。厌氧氨氧化作用的发现丰富了人们对缺氧条件下Ｎ素转化逡逑及其相关微生物代谢过程的认识。目前，从微生物种类与功能角度可将氮循环分逡逑解代谢过程划分为五个主要的过程，除传统的好氧氨氧化过程，亚硝酸盐氧化过逡逑程，反硝化过程，异化硝酸盐还原为铵过程外，增加了缺氧环境下发生的厌氧氨逡逑氧化过程（Ｊｅｔｔｅｎｄｄ邋２００９）。厌氧氨氧化过程和其他新颖的氮转化过程的逐渐逡逑认识，有力地例证了微生物世界中无穷的生物多样性和氮转化代谢潜力（Ｊｅｔｔｅｎ．逡逑２００８）。逡逑￣逦％邋仙逦Ｎ’：逡逑ＮｇｆｔＷ逦Ｍ邋挥发邋｜ｆ逦１邋‘逡逑Ｎｒｆｉｘａｔｉｏｎ邋ｒ逦Ａｍｍｏｎｉａ邋｜邋＇逡逑ｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ邋＾邋；逦｜逦ｉ？丨化作ｒｔｌ逡逑好l#逦ｆｉ粒态有机Ｍ（ＰＯＮ）逦—？？邋ＮＨ；逦—？邋Ｎｌｔｒ＇＾ａｔｉｏｎ—＿？邋ｎｏ３－逡逑Ｈｖ；

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