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典型生境中氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的微生物生态学研究

刘帅  
【摘要】:氨氧化古菌(AOA)的发现是微生物氮素循环的新内容,它打破了氨氧化反应仅由氨氧化细菌(AOB)完成这一传统观念,它的发现对于完善全球氮素循环具有重要贡献。AOA的出现迫使我们对生态系统中的氨氧化过程乃至氮循环通量进行重新的评价和计算。至今,两种同功微生物在生态系统中的关系究竟是功能的冗余还是由于竞争导致的生态位分异尚不明晰,不同生态系统中影响AOA和AOB在氨氧化过程中相对贡献率的环境因子也不明确。所以,探明不同生态系统中影响AOA和AOB数量、群落特征和功能的环境因素对于我们重新评价氨氧化过程和氮循环通量具有重要意义。本文以氧气浓度作为自然生态系统的分类标准,选取好氧生态系统、低氧生态系统、好氧/低氧交替生态系统作为研究对象,探究这三类生态系统中影响AOA和AOB数量、多样性、群落结构和功能的主要环境因子;通过模拟土柱解析氧气对两种氨氧化微生物的数量、群落特征及功能的影响。主要研究结果如下:1)探明了好氧生态系统(中国农田土壤)中影响AOA和AOB数量、群落特征的主要环境因子中国农田土壤中,AOA数量平均比AOB高1-2个数量级,表明AOA可能是中国农田土壤氨氧化反应的主要驱动者,土壤pH值是影响AOA数量的关键环境因子。中国农田土壤中AOA和AOB均有着较高的多样性水平,AOA和AOB的OTU数量分别为666和454个,土壤pH值也是影响中国农田土壤中AOA和AOBOTU数量比值的关键环境因子。在大多数中国农田土壤中,土壤簇AOA为优势AOA菌,而在pH值小于6.0的土壤中,酸性簇AOA为优势AOA菌,亚硝化螺菌属AOB是土壤中优势AOB菌,土壤pH值还是影响中国农田土壤中AOA和AOB群落分布的主要环境因子。2)探明了低氧生态系统(钱塘江沉积物)中影响AOA和AOB数量、群落特征的主要环境因子钱塘江沉积物中AOA的数量比AOB高出1个数量级,AOA数量以及AOA与AOB数量的比值呈现出明显的空间变化特征,从上游至下游,AOA的数量以及AOA与AOB数量的比值均逐渐降低。沉积物pH值、氨氮和总无机氮是影响钱塘江沉积物中AOA数量的关键环境因子。沉积物中AOA和AOB的多样性呈现出明显的空间变化特征,从上游至下游,AOA的多样性逐渐降低,AOB的多样性逐渐升高,沉积物pH值、氨氮、总无机氮和有机碳是影响钱塘江沉积物中AOA和AOB多样性的关键环境因子。钱塘江沉积物中土壤簇AOA为优势AOA菌,亚硝化螺菌属的AOB为优势AOB菌。3)探明了淡水型好氧/低氧交替生态系统(三峡消落带土壤)中影响AOA和AOB数量、群落特征的主要环境因子三峡消落带土壤中,AOA和AOB在消落带样品(周期性水淹)中的数量均低于相应的对照样品(干旱),表明消落带土壤的低氧生境对AOA和AOB的生长均有抑制作用,但对AOB的抑制作用要强于AOA。土壤氧化还原电位和硝酸盐氮是影响三峡消落带土壤中AOA和AOB数量的关键环境因子。消落带土壤中AOA(90个OTU)的多样性水平高于AOB(71个OTU),与对照样品(干旱)相比,三峡消落带样品(周期性水淹)中AOA的多样性增加,AOB的多样性减少,表明AOA比AOB更加适应消落带土壤(周期性水淹)的低氧环境。土壤氧化还原电位和pH是影响三峡消落带土壤中AOA和AOB多样性的关键环境因子。土壤簇AOA是三峡消落带土壤中的优势AOA菌,亚硝化螺菌属AOB是优势AOB菌。壤氧化还原电位是影响AOA群落分布的重要环境因子。4)探明了海洋型好氧/低氧交替生态系统(舟山潮间带沉积物)中影响AOA和AOB数量、群落特征、功能的主要环境因子舟山潮间带沉积物中,AOA的数量、AOB的数量、AOA与AOB数量的比值时空变化特征显著。夏季AOA的数量低于其它三个季节;沿着氧气浓度逐渐降低(潮间带-潮下带)的方向,AOA的数量逐渐增加,AOB的数量逐渐减少,AOA与AOB数量的比值逐渐增加,表明AOA在低氧生境(潮下带)中的竞争优势更加明显。沉积物温度、含水率和总氮是影响沉积物中AOA和AOB数量的关键环境因子。沉积物中AOA的多样性始终高于AOB,沿着氧气浓度逐渐降低(潮间带-潮下带)的方向,AOA和AOB的多样性均降低。沉积物温度是影响沉积物中AOB多样性的关键环境因子。海洋簇AOA是舟山潮间带沉积物中的优势AOA菌,亚硝化螺菌属的AOB是其中的优势AOB菌。沉积物氧化还原电位是影响舟山潮间带沉积物中AOA群落分布的重要环境因子。沉积物中AOA和AOB的氨氧化活性及在氨氧化过程中的相对贡献率有着明显的时空分布特征。冬季,总的氨氧化速率、AOB的氨氧化速率和AOB在氨氧化过程中的相对贡献率显著低于其它三个季度;从潮间带到潮下带,总的氨氧化速率和AOB的氨氧化速率逐渐降低,AOA的氨氧化速率逐渐增加,AOA的相对贡献率逐渐增加,AOB的相对贡献率逐渐降低。在氧气浓度较高的潮间带沉积物中,AOB主导着沉积物中的氨氧化反应:相反地,在氧气浓度较低的潮间带沉积物中,AOA主导着沉积物中的氨氧化反应。5)探明了氧气对AOA和AOB数量、多样性、群落结构和功能的影响氧气浓度决定了AOA和AOB的相对数量。在氧气浓度较低的水淹土柱和半干半湿土柱中,随着培养时间的增加,AOA和AOB的数量均逐渐降低,但是AOB降低的幅度远大于AOA,导致AOA和AOB数量的比值逐渐增加;在氧气浓度较高的干旱土柱,随着培养时间的增加,AOA和AOB数量的比值逐渐降低。氧气浓度决定了AOA和AOB的相对多样性。在氧气浓度较低的水淹土柱中,随着培养时间的增加,AOA与AOB OTU数量的比值逐渐增加;在氧气浓度较高的干旱土柱中,AOA与AOB OTU数量的比值逐渐降低。氧气浓度决定了AOA和AOB的群落结构。土柱中发现了两类AOA(海洋簇AOA、土壤簇AOA),海洋簇AOA是土柱中的优势AOA菌。在氧气浓度较低的水淹土柱中,土壤簇AOA所占比例较小,为0.10%,而在氧气浓度较高的干旱土柱中,土壤簇AOA所占比例为0.12%。土柱中检测到了两类AOB,其中亚硝化螺菌属的AOB是土柱中的优势AOB。在氧气浓度较低的水淹土柱中,亚硝化单胞属的AOB所占比例最多,为0.18%,在氧气浓度较高的半干半湿和干旱土柱中,这一比例降至0.16%和0.14%。氧气浓度决定了AOA和AOB的在氨氧化过程中的相对贡献率。在氧气浓度较低的水淹土柱和半干半湿土柱中,随着培养时间的增加,AOA和AOB的氨氧化速率均逐渐降低,AOA在氨氧化过程中的相对贡献率逐渐增加,AOB的相对贡献率则逐渐降低;在氧气浓度较高的干旱土柱中,随着培养时间的增加,AOA在氨氧化过程中的相对贡献率逐渐降低,AOB的相对贡献率逐渐增加。


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