论文部分内容阅读
厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)和反硝化型厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)反应是新发现的两类能够参与碳氮循环的微生物,它们的发现对完善全球碳氮循环理论具有重要意义。红树林湿地生态系统位于陆地和海洋交界处,周期性受海水浸淹,并且能够接受来自海洋和陆地的各种污染物,因此物质资源和生物资源都很丰富。同时,红树林湿地沉积物能够为ANAMMOX和N-DAMO微生物创造一个厌氧环境,有利于二者生存。目前,关于ANAMMOX菌的研究主要集中在海洋环境,而N-DAMO菌的研究主要集中在淡水湿地,对于二者在红树林湿地沉积物中的相互作用鲜有报道。本研究以红树林湿地不同深度沉积物为研究对象,对其中ANAMMOX和N-DAMO微生物的群落结构以及多样性、数量分布、反应活性和生态效益进行系统地研究,主要研究结果如下:1.探明红树林湿地沉积物ANAMMOX和N-DAMO菌群落结构以及多样性夏季和冬季从红树林湿地沉积物中得到的ANAMMOX菌16S rRNA基因序列都隶属于Candidatus Brocadia,Candidatus Kuenenia和Candidatus Scalindua 属。其中,Candidatus Kuenenia和Candidatus Scalindua属是红树林湿地沉积物中的优势ANAMMOX菌。同时,冬季从红树林湿地沉积物中得到的ANAMMOX菌hzsB 基因序列隶属于Candidatus Kuenenia和Candidat s Scalindua 属。研究发现,桐花树、秋茄和白骨壤生境表层(0-20 cm)ANAMMOX菌群落结构比较相似,中间层(20-40cm和40-60cm)ANAMMOX菌群落结构比较相似,以及底层(60-80cm和80-100cm)ANAMMOX菌群落结构比较相似。并且,红树林湿地沉积物中ANAMMOX菌群落结构与海湾中ANAMMOX菌群落结构最为相似。其次,与根际土壤和太湖中ANAMMOX菌群落结构也有类似之处。相关性分析表明,沉积物总有机碳含量、含水率、氧化还原电位以及硝酸盐浓度对红树林湿地沉积物中ANAMMOX菌群落结构影响较大。夏季从红树林湿地沉积物中得到的N-DAMO菌16S rRNA基因序列隶属于groupB,D,E,而冬季从红树林湿地沉积物中得到的N-DAMO菌16S rRNA基因序列隶属于groupA,B,D。其中,groupB是红树林湿地沉积物中的优势N-DAMO菌。同时,夏季和冬季从红树林湿地沉积物中得到的N-DAMO菌pmoA基因序列都归属于M.oxyfera和M.sinica属。研究发现,桐花树、秋茄和白骨壤生境表层(0-20 cm)N-DAMO菌群落结构比较相似,中间层(20-40 cm和40-60 cm)N-DAMO菌群落结构比较相似,以及底层(60-80cm和80-100cm)N-DAMO菌群落结构比较相似。并且,红树林湿地沉积物中N-DAMO菌群落结构与海洋和香港红树林湿地中N-DAMO菌群落结构最为相似。其次,与自然淡水湿地沉积物中N-DAMO菌群落结构也有类似之处。相关性分析表明,沉积物总有机碳含量、含水率、亚硝酸盐浓度、甲烷浓度以及氧化还原电位是影响红树林湿地沉积物中N-DAMO菌群落结构的主要环境因子。2.探明红树林湿地沉积物ANAMMOX和N-DAMO菌数量分布红树林湿地沉积物中存在相当数量的ANAMMOX菌。其中,夏季和冬季红树林湿地沉积物中ANAMMOX菌16S rRNA基因数量变化范围分别为0.41 × 107-4.07×107拷贝.g-1(干土)和1.39× 107-9.74× 107拷贝.g-1(干土);冬季红树林湿地沉积物中hzsB基因数量变化范围为0.42×106-6.44×106拷贝·g-1(干土)。在红树林湿地系统中,表层沉积物ANAMMOX菌数量明显高于深层沉积物中ANAMMOX菌数量,表明红树林湿地表层沉积物是ANAMMOX菌的主要分布区域。红树林湿地沉积物中分布有大量的N-DAMO菌。其中,夏季和冬季红树林湿地沉积物中N-DAMO菌16S rRNA基因数量变化范围分别为0.24× 107-2.09× 1 07拷贝·g-1(干土)和0.16×104-5.20×104拷贝.g-1(干土);夏季和冬季红树林湿地沉积物中N-DAMO菌pmoA基因数量变化范围分别为0.21×107-3.38×107拷贝.g-1(干土)和0.59×106-2.72×106拷贝·g-1(干土)。在红树林湿地系统中,表层沉积物N-DAMO菌数量明显高于深层沉积物中N-DAMO菌数量,表明红树林湿地表层沉积物是N-DAMO菌的主要分布区域。3.探明红树林湿地沉积物ANAMMOX和N-DAMO菌反应活性红树林湿地沉积物中存在大规模的ANAMMOX反应,反应活性为4.83-277.36 nmolN2 · g-1(干重).d-1。并且桐花树生境ANAMMOX菌活性随着沉积物深度的增加呈现出先下降后上升的趋势,而秋茄和白骨壤生境ANAMMOX菌活性随着沉积物深度的增加逐渐增大。同时,桐花树生境ANAMMOX菌活性普遍低于秋茄和白骨壤生境。从而表明,红树林湿地深层沉积物是ANAMMOX菌反应热点地区。红树林湿地沉积物中同样存在大规模的N-DAMO反应,反应活性为24.19-1077.44 nmolCO2·g-1(干重)·d-1,并且桐花树生境N-DAMO菌活性随着沉积物深度的增加呈现出先上升后下降的趋势,而秋茄和白骨壤生境N-DAMO菌活性随着沉积物深度的增加逐渐下降。同时,桐花树生境N-DAMO菌活性普遍高于秋茄和白骨壤生境。从而表明,红树林湿地表层沉积物是N-DAMO菌反应热点地区。4.探明红树林湿地沉积物理化参数对ANAMMOX和N-DAMO菌影响皮尔逊相关性分析发现,红树林湿地沉积物氧化还原电位、亚硝酸盐浓度、总有机碳浓度等与ANAMMOX菌多样性呈正相关(P<0.05或P<0.01);沉积物pH和温度与ANAMMOX菌多样性呈负相关(P<0.05或P<0.01)。红树林湿地沉积物含水率、亚硝酸盐浓度、总有机碳浓度等与ANAMMOX菌数量呈正相关(P<0.05或P<0.01),pH和温度与ANAMMOX菌数量呈负相关(P<0.05或P<0.01)。沉积物总氮和总有机碳浓度与ANAMMOX菌活性呈负相关(P<0.05)。皮尔逊相关性分析发现,红树林湿地沉积物氧化还原电位、含水率、甲烷浓度等与N-DAMO菌多样性呈正相关(P<0.05或P<0.01);沉积物pH、温度和铵盐浓度与N-DAMO菌多样性呈负相关(P<0.05或P<0.01)。同时,沉积物氧化还原电位、温度和铵盐浓度与N-DAMO菌数量呈正相关(P<0.05或P<0.01),盐度和甲烷浓度与N-DAMO菌数量呈负相关(P<0.05或P<0.01)。而且,沉积物含水率、亚硝酸盐浓度、总有机碳浓度等与N-DAMO菌活性呈正相关(P<0.05或P<0.01),pH与N-DAMO菌活性呈负相关(P<0.01)。5.探明红树林湿地沉积物ANAMMOX和N-DAMO菌生态环境效应本研究证实,ANAMMOX和N-DAMO微生物能够共存于红树林湿地生态系统。同时,稳定同位素示踪试验结果表明,ANAMMOX菌的反应热点在沉积物底层,而N-DAMO菌的反应热点在沉积物表层。因此,红树林湿地沉积物中ANAMMOX和N-DAMO菌的生态位是相互分异的关系。由稳定同位素示踪试验以及通量计算发现,红树林湿地沉积物中ANAMMOX菌能够去除湿地系统平均外源氮负荷的5.4%,是湿地系统中重要的无机氮汇,可大大缓解河流、湖泊以及海洋等水体的富营养化进程。据估计,红树林湿地沉积物中N-DAMO反应能够去除湿地系统平均外源氮负荷的36.2%,其在缓解水体富营养化进程中起着至关重要的作用。此外,红树林湿地沉积物中N-DAMO反应可氧化湿地系统中产生的2%-6%的甲烷气体,是湿地系统被忽视的重要的温室气体甲烷的汇。