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空气微生物参与的碳氮硫代谢潜能及其对大气二次污染的潜在影响研究

刘欢  
【摘要】:空气微生物广泛存在大气中,对生态系统和人类健康造成重大影响。近年来,空气微生物组成特征、影响因素、潜在来源、健康效应等获得了越来越多的关注。但已有研究较多关注了空气微生物的物种组成,物种功能层面深入解析较少。微生物在土壤和水环境中活跃参与物质代谢,其在大气中进行功能代谢亦有可能。因此,了解空气微生物参与的功能代谢并计算其对大气污染的影响有重要意义。本论文采集了中国和瑞士的空气颗粒物样本,结合非培养分子生物学方法和培养富集筛选技术,探究了空气微生物潜在参与的物质代谢,解析了影响代谢功能的环境因素,计算并预测了代谢功能对大气污染的影响。主要结论如下:1.研究了潜在参与碳、氮、硫代谢的空气微生物群落分布,解析了其生态地位和代谢特征。空气中潜在参与碳、氮、硫代谢的微生物分别占微生物总数(属水平,下同)的80.69%、47.28%、11.14%;核心物种分别有10个、5个、2个。分别构建潜在参与碳、氮、硫代谢的空气微生物分子网络,识别关键物种各有6个、11个、1个。空气微生物潜在参与碳代谢无法促进有机碳形成,潜在参与氮代谢和硫代谢有助于铵盐和硫酸盐形成。综上,空气微生物潜在参与大气氮、硫代谢可能对二次污染造成影响。2.探究了潜在参与氮、硫代谢的空气微生物功能基因相对丰度,定量了代表性功能基因浓度。氮代谢中,氨化、异化硝酸盐还原等铵盐形成过程的功能基因相对丰度较高,氨化基因(gdh)浓度为6.18×104 copies·m~(-3),氨同化和氨氧化等铵盐消耗过程的功能基因却未检出。硫代谢中,硫酸盐形成途径的功能基因相对丰度是硫酸盐消耗途径功能基因相对丰度的1.56倍。硫代硫酸盐氧化功能基因(sox B)浓度(4.14×10~3 copies·m~(-3))是硫酸盐还原基因(cys DNC)浓度(2.76×10~3 copies·m~(-3))的1.50倍。综上,空气微生物携带氮、硫代谢功能基因更多地编码铵盐、硫酸盐形成途径,可能造成铵盐、硫酸盐积累。3.分析了空气总细菌和氮、硫代谢功能基因相关的环境因素,筛选了影响最大的环境因子。大气污染中,颗粒物(PM_(2.5)、PM_(10))浓度与空气总细菌、氨化基因(gdh)、硫代硫酸盐氧化基因(sox B)、硫酸盐还原基因(cys DNC)浓度均呈显著正相关(p0.05)。气象条件中,纬向风速与空气总细菌、sox B、cys DNC浓度呈明显正相关(p0.05)。地面环境中,纬度、海拔和cys DNC浓度呈明显正相关(p0.05)。其余大气污染、气象条件、地面环境所含环境因子与空气总细菌和氮、硫代谢功能基因相关性不显著。综上,PM_(2.5)、PM_(10)是影响空气总细菌浓度和氮、硫代谢功能基因浓度最大的环境因子。4.构建了空气微生物氮、硫代谢模拟培养体系,推算了微生物功能代谢对大气污染的贡献度。氮代谢微生物模拟培养过程中,氨化基因(gdh)每增加104 copies,NH4+的质量增加0.05μg(R2=0.85)。硫代谢微生物模拟培养过程中,硫代硫酸盐氧化基因(sox B)每增加104 copies,SO_4~(2-)质量增加0.04μg(R~2=0.80)。空气微生物氨化产生的铵盐平均浓度为0.36μg·m~(-3),约占铵盐总质量的8.00%。空气微生物硫代硫酸盐氧化贡献的硫酸盐平均浓度为0.09μg·m~(-3),约占硫酸盐总质量的1.71%。神经网络模型预测表明大气污染较重的北方省市,空气总细菌浓度较高,对铵盐的贡献量较大。综上,空气微生物氮代谢对铵盐贡献较大。


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