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湿地亚硝酸盐型厌氧氨氧化和厌氧甲烷氧化微生物生态学研究

沈李东  
【摘要】:基于亚硝酸盐为电子受体的厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)反应和厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation, N-DAMO)反应是微生物氮循环和碳循环的最新内容,它们的发现对完善全球碳氮循环具有重要意义。 目前关于ANAMMOX的研究主要集中在人工环境和海洋环境;N-DAMO的各方面研究尚处于起步阶段,自然环境中N-DAMO的研究屈指可数。湿地是地球上最重要的自然生态系统之一。本论文以不同湿地类型(包括淡水湿地和滨海湿地)作为研究对象,对ANAMMOX和N-DAMO微生物进行生态学研究,以期探明这两类微生物在湿地系统中的生态分布特征、作用强度以及在湿地碳氮循环、温室气体减排和氮素污染修复中的作用。主要研究结果如下: 1)探明了湿地系统ANAMMOX菌和N-DAMO菌的群落结构特征 ①探明了湿地系统ANAMMOX菌的群落结构特征 淡水和滨海湿地系统中存在多个属的ANAMMOX菌及多个新的分支,种群多样性水平较高。在淡水湿地系统中,Candidatus Kuenenia和Candidatus Brocadia属是优势ANAMMOX菌。在滨海湿地系统中, Candidatus Kuenenia和Candidatus Brocadia属是氮素污染严重的近岸沉积物的优势ANAMMOX菌,Candidatus Scalindua属是污染相对较弱的外海沉积物的优势ANAMMOX菌。研究发现,沉积物/土壤有机碳含量和无机氮(氨氮和硝氮)含量是影响淡水湿地系统ANAMMOX菌群落结构的主要环境因子;沉积物孔隙水或上覆水无机氮(硝氮)浓度是影响滨海湿地系统ANAMMOX菌群落结构的主要环境因子。 ②探明了湿地系统N-DAMO菌的群落结构特征 淡水湿地和滨海湿地系统中存在多个与Candidatus Methylomirabilis oxyfera亲缘关系较近的分支,种群多样性水平较高。在淡水湿地系统中,group A的N-DAMO菌(N-DAMO反应的主要功能微生物)主要分布于深层土壤,group B的N-DAMO菌主要分布于表层土壤。在滨海湿地系统中,group A的N-DAMO菌是近岸沉积物的优势N-DAMO菌,group B的N-DAMO菌是外海沉积物的优势N-DAMO菌。研究发现,沉积物/土壤无机氮(氨氮和硝氮)含量和甲烷含量是影响淡水湿地系统N-DAMO菌群落结构的主要环境因子;沉积物有机碳含量及孔隙水或上覆水无机氮(硝氮)浓度是影响滨海湿地系统N-DAMO菌群落结构的主要环境因子。 2)探明了湿地系统ANAMMOX菌和N-DAMO菌的数量分布特征 ①探明了湿地系统ANAMMOX菌的数量分布特征 淡水和滨海湿地系统中都存在相当数量的ANAMMOX菌,数量范围为105~107拷贝g-1(干重)。在淡水湿地系统中,表层土壤中ANAMMOX菌数量明显高于深层土壤中ANAMMOX菌数量;在滨海湿地系统中,近岸沉积物中ANAMMOX菌数量明显高于外海沉积物中ANAMMOX菌数量。研究发现,沉积物/土壤无机氮(氨氮和硝氮)含量和有机碳含量是影响淡水湿地系统ANAMMOX菌数量分布的主要环境因子;沉积物孔隙水或上覆水无机氮(硝氮)浓度是影响滨海湿地系统ANAMMOX菌数量分布的主要环境因子。 ②探明了湿地系统N-DAMO菌的数量分布特征 淡水和滨海湿地系统中都分布有大量的N-DAMO菌,数量范围为105~107拷贝g-1(干重)。在淡水湿地系统中,深层土壤中N-DAMO菌数量明显高于表层土壤中N-DAMO菌数量;在滨海湿地系统中,近岸沉积物中N-DAMO菌数量明显高于外海沉积物中N-DAMO菌数量。研究发现,沉积物/土壤有机碳含量和甲烷含量是影响淡水湿地系统N-DAMO菌数量分布的主要环境因子;沉积物有机碳含量及孔隙水或上覆水无机氮(硝氮)浓度是影响滨海湿地系统N-DAMO菌数量分布的主要环境因子。 3)探明了湿地系统ANAMMOX菌和N-DAMO菌的活性和相对作用强度 ①探明了湿地系统ANAMMOX菌的活性和相对作用强度 淡水和滨海湿地系统中都存在大规模的ANAMMOX反应,反应速率为2.8~89.7nmol N2g-1(干重)d-1。 ANAMMOX反应在湿地系统微生物氮循环中的贡献率为1.3%-46.7%。在淡水湿地系统中,表层土壤中ANAMMOX活性明显高于深层土壤中ANAMMOX活性;在滨海湿地系统中,近岸沉积物中ANAMMOX活性明显高于外海沉积物中ANAMMOX活性。研究发现,土壤无机氮(氨氮)含量是影响淡水湿地ANAMMOX活性分布的主要环境因子;沉积物孔隙水或上覆水无机氮(硝氮)浓度是影响滨海湿地ANAMMOX活性分布的主要环境因子。 ②探明了湿地系统N-DAMO菌的活性和相对作用强度 淡水和滨海湿地系统中同样存在大规模的N-DAMO反应,反应速率为0.1~14.5nmol CO2g-1(干重)d-1。N-DAMO反应在湿地系统微生物甲烷氧化中的贡献率为1.0%~9.5%。在淡水湿地系统中,深层土壤中N-DAMO活性明显高于表层土壤中N-DAMO活性。在滨海湿地系统中,近岸沉积物中N-DAMO活性明显高于外海沉积物中N-DAMO活性。研究发现,土壤甲烷含量是影响淡水湿地N-DAMO活性分布的主要环境因子;沉积物孔隙水或上覆水无机氮(硝氮)浓度是影响滨海湿地N-DAMO活性分布的主要环境因子。 4)评价了湿地系统ANAMMOX反应和N-DAMO反应的生态环境效应 ①评价了湿地系统ANAMMOX反应的生态环境效应 通量计算发现,淡水湿地和滨海湿地系统中由ANAMMOX反应所致的氮通量达到了24.8~116.1g Nm-2year-1,与已报道的湿地反硝化氮通量(24.0-175.0g N m-2year-1)相当,表明ANAMMOX反应是湿地微生物氮循环的重要组成部分,对湿地氮循环和平衡湿地氮的收支具有重要意义。据估计,ANAMMOX反应可去除湿地系统平均外源氮负荷的10.3%~48.1%,是湿地重要的无机氮汇,可大大减缓河流、湖泊和近海等水体环境的富营养化进程。 ②评价了湿地系统N-DAMO反应的生态环境效应 通量计算发现,淡水湿地和滨海湿地系统中由N-DAMO反应所致的氮通量为1.0~-5.4g Nm-2year-1,表明N-DAMO反应对湿地氮循环和平衡湿地氮的收支也具有一定意义。据估计,N-DAMO反应可去除湿地系统平均外源氮负荷的0.4%~2.2%,其在减缓水体环境的富营养化进程中也起着一定作用。此外,湿地系统中由N-DAMO反应所致的甲烷氧化量为0.5-2.0g CH4m2year-1.据此推算,全球湿地系统中由N-DAMO反应所致的甲烷氧化总量可达4.0~20.0TgCH4year-1,占全球湿地系统甲烷排放总量(100.0~200.0Tg CH4year-1)的2.0%~20.0%,是湿地系统中被忽视的重要的温室气体甲烷的汇。


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