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东江微生物的群落结构及其在氨氮转化中的作用特点

孙巍  
【摘要】:东江是珠江流域东部的重要支流,是香港和珠江三角洲多座重要城市的饮用水源。随着流域内社会经济的快速发展,东江不可避免地受到氨氮的污染,但长期的水质监测结果表明,东江总体水质仍保持在良好的水平,推测东江具有较强的氮去除能力,其中微生物可能发挥了重要作用。但目前有关这类河流微生物的分布特点及其在氨氮转化中的作用规律了解极少。本研究以东江为模式河流,在164.51Km东江的不同断面采集水样和沉积物,利用高通量测序、荧光定量PCR、克隆文库和多变量统计分析等方法手段,从河流浮游微生物和底栖微生物的层面,系统研究了东江流域微生物群落组成结构及其在氨氮转化中的作用特点,取得了以下主要成果: 一、东江惠州至桥头段具有较强的氮去除能力。 根据2011-2012年调查结果,东江上游至下游的水质呈明显下降趋势,新丰至惠州段采样点氮含量呈逐渐增加的梯度变化,但惠州至桥头段,氨氮降低约一半;并且下游采样点(惠州和桥头)潜在硝化率显著高于上游采样点(新丰、河源和古竹)。这些结果表明,随着氨氮污染物的逐渐加重,东江表现出较强的氮去除能力。 二、东江上下游的浮游细菌群落组成受水中氮含量的梯度变化影响,具有显著的季节和空间变化特点。 采用高通量测序技术研究了2011年东江流域枯水期和丰水期细菌群落组成,结果表明:Proteobacteria(主要是Betaproteobacteria纲)、Actinobacteria和Bacteroidetes是东江中浮游细菌类群的主要成员。在两个季节中,浮游细菌的多样性相似,但浮游细菌的组成和分布表现出显著的季节性和空间变化。等级聚类分析结果显示,两个季节中上游位点河源和古竹的细菌群落聚类在一起,并与下游位点惠州和桥头的细菌群落分开,这表明上游至下游氮含量的梯度变化影响了细菌群落的分布。统计分析表明温度和氮含量(特别是NO-3-N含量)是影响东江浮游细菌群落分布的重要因素。 三、东江水体氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的主要类群是奇古菌(Thaumarchaeota)中的Group1.1a和亚硝化螺菌属(Nitrosospira),其分布分别与水体NO-3-N和总悬浮物固体(TSS)含量显著相关。奇古菌中Group1.1b和Group1.1b-associated在碳氮含量较高的沉积物中以占优势,沉积物中AOB主要类群属于亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)。沉积物中AOA分布与pH和TC含量显著相关。 为了阐明氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)在东江氨氮转化中的作用,本研究通过荧光定量PCR和氨单加氧酶基因(amoA)克隆文库方法分析了东江水体和底泥中AOA和AOB群体的结构、分布和丰度,及其对于环境变化的响应。结果表明,沿东江水流方向AOB与AOA的相对丰度比率范围为0.07—9.40,与NH4+-N的含量正相关。系统进化分析表明,水体中AOA群落大部分属于奇古菌(Thaumarchaeota)中的Group1.1a;而在碳氮含量相对较高(例如:总碳(TC)13g kg-1沉积物,NH4+-N144mgkg-1沉积物)的沉积物中则以Group1.1b和Group1.1b-associated分支序列占优势,碳氮含量相对较低(例如:TC 4g kg-1沉积物,NH4+-N93mg kg-1沉积物)的沉积物中则以Group1.1a和Group1.1a-associated分支序列占优势。水体中大部分AOB属于亚硝化螺菌属(Nitrosospira);沉积物中可以检测到亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)和亚硝化螺菌(Nitrosospira)相关的AOB序列,但是约有70%的序列属于亚硝化单胞菌Nitrosomonas-like B分支。多变量统计分析表明,水体中AOA和AOB的群落分布分别与NO-3-N和总悬浮物固体(TSS)含量显著相关。尽管几乎所有沉积物中AOB的丰度都高于AOA,但只有AOA的分布与沉积物pH和TC含量显著相关,这表明沉积物中AOA可能比AOB对于环境因子的变化更敏感。 四、东江中以Candidatus Jettenia相关的厌氧氨氧化细菌是优势类群,水中厌氧氨氧化细菌的丰度和多样性与NH4+-N含量显著相关,NO-2-N含量则是影响沉积物中厌氧氨氧化细菌丰度的关键因素。 厌氧氨氧化(anammox)过程是水生态系统中脱N的重要途径,相关功能微生物在生态环境中广泛存在。然而,关于河流生态系统中的厌氧氨氧化菌群的分布特点知之甚少。本研究中通过厌氧氨氧化细菌的16S rRNA基因和联氨氧化酶基因(hzo)发现东江水体和沉积物中存在多种多样的厌氧氨氧化群落。基于厌氧氨氧化细菌16S rRNA基因系统进化分析表明,Candidatus Brocadia和两个新的厌氧氨氧化细菌分支存在于东江水体和沉积物中。联氨氧化酶(HZO)蛋白序列系统进化分析表明,无论是水体还是沉积物均以Candidatus Jettenia相关的厌氧氨氧化细菌为优势类群。荧光定量分析结果表明,不同水样和沉积物样品中厌氧氨化细菌的丰度具有显著差异。基于Pearson和偏相关分析结果表明东江水体厌氧氨氧化细菌的丰度和多样性与NH4+-N含量显著相关;冗余分析表明NH-4+-N、NO3-N和NH-4+-N与NO2-N的比率显著地影响东江水体中厌氧氨氧化细菌的空间分布。而Pearson相关性分析表明NO-2-N含量是影响沉积物中厌氧氨氧化细菌丰度的关键因素;冗余分析(RDA)分析表明NO-2-N、NO-3-N含量和总氮与总碳比率(TN/TC)对于沉积物中厌氧氨氧化细菌群落结构具有显著影响。 五、东江氮去除的动态模型 东江上游的新丰、河源和古竹等断面的水质良好,水体中AOA的相对丰度占优势。随着氮污染物的不断注入,下游的惠州和桥头断面水质逐渐变差,氨氧化菌的群落也发生相应变化:水体和沉积物中的AOA相对丰度明显下降,AOB丰度占优势,厌氧氨氧化菌群的丰度也呈上升趋势。这表明,水中氨氮含量较低时,东江中AOA在氨氮转化方面起主要作用;随着氨氮含量升高,AOB在氨氮转化方面发挥重要作用,并且与厌氧氨氧化菌群协同完成氮去除过程。与之相对应的,水体中下游惠州和桥头位点的潜在硝化率比上游位点有一定幅度提高,这表明了氨氧化功能菌群的动态变化增强了水体的自净能力。 综上所述,东江较强的氮去除能力与浮游细菌和底栖微生物在东江生物地球化学循环过程中发挥重要的生态功能相关。好氧氨氧化和厌氧氨氧化功能微生物在东江水体和沉积物中分布广泛,它们的多样性和分布特点与环境条件紧密相关,它们通过好养氨氧化和厌氧氨氧化过程在维持东江自净能力、提高氨氮转化效率方面扮演着重要角色。


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