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仿生植物附着氨氧化微生物群落结构及其对环境因子的响应研究

刘彪  
【摘要】:硝化作用是氮素循环的重要过程,而氨氧化是硝化过程的第一步也是限速步骤。长期以来,氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)被认为是氨氧化的唯一驱动者。然而,古菌的宏基因组和纯培养的研究表明,部分古菌也具有氨氧化能力,该种群被称为氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA),随后被划分为一个新的门类,奇门古菌。大量研究表明,AOA在氮素循环中也起着非常重要的作用。本文以AOA和AOB的氨单加氧酶α亚基(amoA基因)为靶基因,研究低氧高氨氮城市河道中AOA和AOB的丰度和群落结构随季节变化规律及其对环境因子的响应;以仿生植物为载体,在城市河道内原位附着生物膜,研究仿生植物附着AOA和AOB的丰度和群落结构随季节变化规律及其对环境因子的响应;通过室内控制试验,研究环境因子(温度、pH和氨氮)对仿生植物附着AOA和AOB的丰度和群落结构的影响。得出了以下主要结论: (1)丰水期外来水源携带了大量AOA和AOB进入金山湖和古运河,这些微生物在枯水期初期得到了较好的生长,但由于水体扰动的减少,导致微生物逐渐沉降于水体底部。定量分析表明,AOB的丰度比AOA高,表明在此富含氨氮的水体环境中更适于AOB生长,AOB在古运河流域中可能是氨氧化作用的主要驱动者。系统发育分析表明,古运河流域水体中,AOA克隆文库在丰水期以Nitrosopumilus cluster为优势种群,枯水期以Nitrososphaera cluster为优势种群,显现出明显的季节变化。AOB克隆文库均以Nitrosomonas lineage为优势种群。氨氮(NH4-N)和温度(T)是影响古运河流域水体中AOA和AOB丰度和群落结构的关键环境因子。 (2)仿生植物附着生物膜理化参数与采样点水环境密切相关。仿生植物能够为水体中微生物提供栖息场所,并有效的富集AOA和AOB,其丰度超过自然水体中1至2个数量级。定量分析表明,在8个仿生植物样品中,有5个AOA丰度超过了AOB,尽管仿生植物本身以及所在的水环境氨氮浓度都处于较高水平,显现出与水体环境的差异。系统发育分析表明,AOA在MXN1和MXG6的优势种群为Nitrosopumilus cluster,而其余6个AOA克隆文库优势种群为Nitrososphaera cluster。在8个AOB克隆文库中,均以Nitrosomonas genera为优势种群。此外,NH4-N和N02-N是影响仿生植物中AOA和AOB丰度和群落结构的关键环境因子。 (3)仿生植物在不同的温度、pH和氨氮浓度环境中连续培养8周后,AOA和AOB的amoA基因拷贝数在不同样品中具有明显差异。然而,AOA群落结构变化较小,似乎AOA种群具有较强的抗击环境变化的能力。另一方面,AOB群落结构变化较大,显现出AOA和AOB具有不同的代谢机制和生态位。 本论文的研究结果有助于加深我们对淡水湖泊和低氧高氨氮的城市重污染河道中氨氧化微生物作用的理解,从分子生态学角度解释了仿生植物附着氨氧化微生物修复低氧高氨氮的城市重污染河道的机理,为仿生植物附着氨氧化微生物修复低氧高氨氮的城市重污染河道提供了可靠的数据和理论依据。


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