溶氧对九龙江湿地沉积物氨氮转移转化及氨氧化菌的影响

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湿地生态系统内存在有活跃的生物地球化学过程。其中氮素的循环过程尤其显著。湿地沉积物对氮的源、汇关系直接影响水体富营养化水平。溶氧(Dissolved oxygen,DO)是影响沉积物氨氮释放和上覆水氨氮氧化的重要环境因子。因此,本文选取九龙江口红树林湿地两种表层沉积物(红树林、光滩)为实验材料。采用原位考察与室内模拟相结合的方法,研究溶氧对沉积物氨氮的释放及氨氧化的影响,通过建立克隆文库和荧光定量PCR确定溶氧对表层沉积物氨氧化菌群落结构及丰度的影响。确定溶氧对氨氧化菌富集培养物氨氧化活性的影响;并利用变性梯度凝胶电泳DGGE技术探究氨氧化菌的生存情况及溶氧水平对氨氧化菌群落结构的影响。主要结论如下:(1)不同溶氧条件下,两种沉积物氨氮的释放、氧化均存在显著差异。红树林沉积物上覆水NH4+–N的累积释放量是光滩沉积物的1.9~4.5倍。在较高DO条件下沉积物NH4+–N呈低释放状态,而在较低DO条件下呈高释放状态。另外,红树林沉积物NH4+–N的释放速率(43.73~78.51mgN·m-2·d-1)和氧化速率(26.19~40.68mgN·m-2·d-1)均高于光滩(分别为14.50~19.22mgN·m-2·d-1和8.89~22.53mgN·m-2·d-1)。可见溶氧是影响沉积物氨氮释放的重要环境因子,在溶氧不足的情况下,沉积物释放大量氨氮给水体造成二次污染,带来较大的环境压力。(2)溶氧不仅影响到沉积物表层氨氧化菌群落结构也影响菌群丰度。两种沉积物中氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)多样性指数(Shannon-Wiener index)(0.367~1.999)明显高于氨氧化古菌(Ammonia-oxidizingarchaea,AOA)(0~0.896)。而同一种沉积物在不同溶氧条件下其AOA或AOB多样性指数亦有很大不同。荧光定量PCR(qPCR)检测显示,在光滩沉积物中AOB氨单加氧酶α(amoA)基因丰度为7.10×106~2.58×107远远高于其中AOAamoA的丰度(3.92×103~2.89×104);在红树林沉积物中AOB amoA基因丰度为2.67×104~3.57×106,而AOA amoA丰度为8.86×105~2.16×106。AOB群落对DO的变化显得更为敏感。经过测序和序列比对显示九龙江口湿地沉积物氨氧化菌存在地区特异性,在Genbank中与其大部分所测得amoA序列相似性最高的序列发现于香港红树林湿地沉积物及胶州湾沉积物,而与世界其他距离较远地区所得到的amoA基因序列相似性较低。所有的AOB均属于亚硝化螺菌属Nitrosospira和亚硝化单胞菌属Nitrosomonas,而所有的AOA均属于Cluster S(Soil/sediment Cluster)。氨氧化速率与AOA amoA基因丰度呈显著正相关,而与AOB amoA基因丰度不存在明显的相关关系。由此证实了AOA在湿地氮循环中的重要作用。(3)富集培养条件下,有一部分氨氧化菌存活了下来,并可稳定生长。在饱和及好氧条件下AOB群落多样性指数达到2.00和2.05,AOA为2.49和2.03,而在缺氧和厌氧条件下AOB分别为1.76和1.80,AOA为1.27和2.21;在饱和及好氧条件下氨氧化速率较高,分别达到14.20mg·L-1·d-1和13.36mg·L-1·d-1,NH4+–N转化率达到93.8%和88.2%;而缺氧和厌氧条件下氨氧化速率仅为7.82mg·L-1·d-1和5.66mg·L-1·d-1,NH4+–N转化率为51.7%和37.4%。分析显示,氨氧化速率与溶氧水平、AOB群落Shannon指数成极显著正相关,与AOB群落Simpson指数呈显著正相关,但与AOA群落Shannon指数、Simpson指数没有显著的相关关系。说明,富集培养下高溶氧有利于氨氮氧化,且承担氨氧化过程的微生物主要是AOB。综上所述,溶氧影响了沉积物氨氮的释放和氧化,究其原因是溶氧影响了氨氧化菌的群落结构和丰度。本文针对滨海河口湿地这一特殊生态系统进行溶氧对氨氧释放氨氧化过程的影响研究,为认知滨海河口湿地氮的生物地球化学循环过程提供相关的基础数据。
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