太湖沉积物中硝化作用及硝化微生物的分布与活性研究

发布时间：2020-07-31 16:59

【摘要】：氮素的输入及富集是导致内陆淡水湖泊富营养化的重要原因之一。硝化-反硝化偶联作用可将无机氮转化成气体排入大气,降低水体环境中氮素的含量;硝化过程是水体发生反硝化过程的前提,对于维持湖泊生态系统氮素平衡具有重要意义。氨氧化及亚硝酸盐氧化微生物参与并执行了硝化过程,其广泛分布于陆地、海洋、淡水等自然生态系统中;目前,上述功能微生物在富营养化湖泊中的分布、群落组成与功能活性仍不清楚,其主要影响因子也不明确。本研究以太湖为研究区域,采集不同富营养化程度的水体及沉积物样本,联用15N稳定同位素示踪技术、13C稳定同位素核酸探针技术、高通量测序技术等手段,研究富营养水平、含氧量、温度、氮输入量等因子对太湖沉积物硝化过程及硝化微生物的影响。主要研究结果如下:(1)以太湖氮输入量较高的中度富营养化梅梁湾湖区表层沉积物(0～-2 cm)为材料,基于15NH4NO3与NH415NO3双标记示踪技术及FLUAZ模型,实验室模拟太湖水体不同温度(10℃、20℃与30℃)构建培养实验。结果发现:10℃、20℃和30℃培养条件下,梅梁湾沉积物初级硝化速率分别为3.83、4.46和12.46 mgKg-1 d.w.s d-1,初级反硝化速率分别为4.14、14.93 和 15.23 mgKg-1 d.w.s d-1,偶联脱氮效率分别为10.10%、35.55%和37.21%。不同温度显著影响了沉积物初级硝化速率(P0.001)、反硝化速率(P0.001)和偶联脱氮效率(P0.001)。且在相同培养温度下,沉积物初级硝化速率与NH4+-N(P0.05)及TOC含量(P0.05)显著相关,初级反硝化速率与PNR(P0.05)及NO3-值(P0.05)显著相关。在10-30℃下,沉积物中36%-84%的NH4+发生了硝化作用,而硝化作用产生的90%以上的NO3-通过反硝化作用而被去除,33%-81%参与氮循环的NH4+能够通过硝化作用而被除去,参与氮循环的NH4+的脱除率显著受培养温度的影响(P0.01)。因此,硝化作用对太湖梅梁湾湖区沉积物氮脱除具有重要作用。(2)采用基于amoA功能基因和16S rRNA基因的荧光定量PCR、PCR-DGGE与高通量测序等分子生物学技术,调查太湖不同富营养化(中度富营养化梅梁湾湖区与轻度富营养化湖心区)水体和表层沉积物(0～-2cm)中氨氧化微生物的丰度和硝化微生物群落组成与丰度。结果发现,太湖不同富营养化水平显著改变了水体与表层沉积物中AOA和AOB的丰度,不同富营养水平未改变硝化微生物的群落组成但改变了各群落的丰度。两湖区水样中AOA群落结构基本相似,两湖区表层沉积物样品中AOA群落组成亦基本相似,但水体与沉积物中的AOA群落结构有差异。Nitrosopumilus和Nitrososphaera类群是水体与沉积物中共有的AOA类群,Nitrosotalea类群仅在水体中检测到。中度与轻度富营养化湖区表层沉积物中的AOB主要包含Nitrosospiira和Nitrosomonas类群,中度富营养化湖区沉积物中AOB以Nitrosospira为主(97.54%),而轻度富营养化湖区沉积物中AOB以Nitrosomonas为主(51.43%)。两湖区沉积物中亚硝酸盐氧化细菌(NOB)均以Nitrospira为主。太湖典型富营养化指标(TN、TP、NH4+-N和NO3--N)及富营养相关指标(DO和pH)是影响氨氧化微生物丰度以及硝化微生物群落结构与丰度的重要因素。(3)采用13C-DNA稳定同位素核酸标记技术(DNA-based stable isotope probing,DNA-SIP)研究沉积物中“活跃”的硝化微生物类群,结果发现:NH4+-N含量相对较高的中度富营养化湖区沉积物中“活跃”的AOA主要包括Nitrosopumilus,Nitrosotalea 与Nitrososphaera 类群,NH4+-N含量相对较低的轻度富营养湖区沉积物中“活跃”的AOA主要包括Nitrosopumilus和Nitrososphaera类群,且两湖区沉积物中“活跃”的AOA均以Nitrosopumilus类群为主。两湖区中AOB主要包括Nittosomonas和Nitrosospira类群,表层沉积物以Nitrosomonas类群为主,深层沉积物以Nitrosospira类群为主。沉积物样品中“活跃”的NOB群落主要为Nitrospira属,且NOB 16S rRNA基因相对丰度随着NH4+-N含量的提高而降低,并随着沉积物深度的加深而降低。AOA与AOB分别在NH4+-N含量相对较高的中度富营养化的深层沉积物及NH4+-N含量相对较低的轻度富营养化的表层沉积物中具有较低的活性。上述结果显示,不同富营养水平(主要为NH4+-N含量)与含氧量水平能够改变太湖沉积物中氨氧化微生物在硝化过程的地位、硝化微生物群落组成与丰度。(4)以不同富营养化程度的湖区表层沉积物为研究材料,设置高低两种氮添加量,实验室模拟太湖水体不同温度(10℃、20℃与30℃)构建13C标记的DNA-SIP培养实验,结果发现:中度富营养化的梅梁湾湖区沉积物中,不同培养温度下,AOB主导氨氧化过程,“活跃”类群主要为未知的Nittosomonas-like和Mitrosomonas Is79A3分支,Nitrosomonas-like相对丰度随着培养温度的提高而提高,随着氮输入量的提高而下降,NitrosomonasIs79A3相对丰度随培养温度与氮输入量变化的规律则相反;轻度富营养化的梅梁湾湖区沉积物中,中温(20℃)与高温(30℃)培养条件下AOA和AOB主导氨氧化过程,(“活跃”的AOB类群主要为未知的Nitrosomonas-like分支,AOA类群包括Nitsoopumilus和Nitrososphaera类群,Nitrosopumilus相对丰度随着培养温度的提高而下降,随着氮输入量的提高而提高,Nitrososphaera类群相对丰度随培养温度与氮输入量的变化规律与之相反,而在低温(10℃)培养条件下未检测到“活跃”的自养氨氧化微生物。两湖区“活跃”的NOB均以Nitrospira群落为主。培养温度显著影响Nitrosopumilus、Nitrososphaera、Nitrosomonas-like、Nitrosomonas Is79A3和Nitrotoga类群相对丰度(P0.05),氮输入量显著影响Nitrosomonas Is79A3和Nitrotoga类群相对丰度(P0.01)。上述研究结果表明,不同的培养温度与氮输入量能改变了太湖不同富营养化湖区表层沉积物中氨氧化微生物在硝化过程的地位、硝化微生物群落组成及群落丰度。
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X524
【图文】：

７Ｋ体、水－沉积物界面（次好氧－厌氧界面）、沉积物等介质中。湖泊生态系统中逡逑的氮循环过程主要包含了固氮作用、矿化作用、硝化作用、反硝化作用、厌氧氨逡逑氧化作用和固定化作用等，这些过程主要由微生物驱动（图１－１）。逡逑１．１．３湖泊生态系统氮转化过程及速率测定方法逡逑湖泊生态系统的沉积物中各种形态的氮无时无刻都在发生着相互转化，每一逡逑种形态的氮，其含量往往由多个转化过程所控制。例如，即使在无外源氮、无浮逡逑游生物吸收的实验室微域培养条件下，在硝化作甩产生Ｎ0３－的同时，ｎｏ３－能够逡逑通微生物同化和反硝化作用被消耗，因此，ＮＯｒ的含量应为ｎｏ３？产生过程与逡逑消耗过程的综合结果。在自然条件下，涉及水体沉积物中ＮＨ４＋、ＮＯｆ、Ｎ0３？等逡逑形态的氮的变化过程更多。依据测定方法，沉积物氮的转化速率可分为初级转化逡逑１逡逑

逦第１章前言名为邋Ｎｉｔｒｏｓｏｌｏｂｕｓ邋ｍｕｈｉｆｏｒｍｉｓ、，Ｎｉｔｒｏｓｏｓｐｉｒａ邋ｌｅｍｉｉｓｉ邋又命名为邋Ｎｉｔｒｏｓｏｖｉｂｒｉｏ邋ｔｅｎｕ以及其它Ｍ／ｍｓｏｓｐ／ｍ类群。逡逑氨氧化古菌（ＡＯＡ）是一类能够将重碳酸盐作为碳源、利用ＮＨｆ氧化能量进行化能无机自养生活并独立于氨氧化细菌进化分支外的类群。长期以人们认为仅有细菌参与了氨氧化过程，但ＡＯＡ的发现打破了这一认识，改研究者们对于全球氮循环的认知（Ｋ６ｎｎｅｋｅｅｔａｌ．２００５）。同年，科学家们从中成功分离第一株氨氧化古菌随后，科学家们又样的方法从土壤与温泉中成功分离并富集到新型的古菌菌种（ｄｅ邋ｌａ邋Ｔｏｒｒｅ邋ｅ２００８；邋Ｈａｔｚｅｎｐｉｃｈｌｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００８；邋Ｊｕｎｇ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１１；邋Ｌｅｈｔｏｖｉｉｔａ－Ｍｏｒｌｅｙ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１Ｔｏｕｍａｅｔａｌ．２０１１）。这些古菌能够参与氨氧化过程，且广泛分布于中温环因此，又被称为中温泉古菌。逡逑

文选题的理由与意义逡逑（３０°５５＇４０＂－３１°３２＇５８＂Ｎ，１１９°５２＇３２＂－１２０°３６＇１０＂Ｅ）是我国第三大积为２３３８ｍ２，也是个浅水湖泊，平均水深不到２ｎｉ。太湖位于长三苏锡常、上海、杭嘉湖地区居民最重要的水源。但是，随着人口的济的高速发展与人类活动的频繁影响，工业废水，农业和生活污水排入湖体，使太湖水体营养物质含量升高而形成富营养化，大量的沉积物中沉降富集并不断地向水体中释放，成为水体潜在的内源性污要湖区包括西北部的竺山湾、梅梁湾、贡湖湾、大浦口，东南部的，以及位于靠近湖心位置的湖心区（图卜５）邋0在太湖各湖区中，于更加靠近污染源，因此水质较差，且北部竺山湾、梅梁湾、贡湖袋形状，污染物易进不易出，容易在湖湾内蓄积，因此，北部湖湾繁暴发，加剧了水体富营养化程度。其中，梅梁湾是太湖受纳污染域，也是藻华容易暴发的区域，该区域直接承纳直湖港和武进港等废水（Ｎｅｉｌａｎｅｔａｌ．２０１４）。而太湖中部至东南部湖区水质逐渐好转，上呈现由北向南、由西向东水体富营养水平逐渐下降的趋势。逡逑

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本文编号：2776751