水情变化背景下鄱阳湖典型湿地土壤硝化/反硝化在N2O排放中的作用及微生物学机制

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氧化亚氮(N2O)是引起全球变暖最重要的温室气体之一。湿地因其特殊的水环境特征,使其成为氮循环的“生态热区”并进而导致N2O排放。当前,持续的全球变暖和水环境变化加剧了湿地土壤N2O的排放。然而,我们对水情改变背景下湿地土壤N2O排放的微生物学驱动机制知之甚少。基于此,本研究以地貌复杂,水文条件多变的内陆淡水湖泊系统—鄱阳湖湿地为研究对象,选择4种不同生态类型的子系统(河口、湖泊、泥滩、草洲),开展以下三个方面的研究:1)通过室内培养,采用乙炔抑制法测定分析N2O潜在的排放特征,区分硝化和反硝化过程的相对贡献,明确N2O生成的主导过程;2)通过q PCR定量和16S r RNA基因扩增子测序技术分析与N2O排放相关的硝化(AOA-amo A,AOB-amo A)、反硝化(nar G、nir K、nir S、nos Z)功能基因丰度以及硝化/反硝化功能菌群,探究N2O排放的微生物学机制;3)通过宏基因组测序技术分析丰水期湿地土壤N2O排放相关的氮代谢网络及相关基因多样性和物种来源。主要得到以下结论:(1)鄱阳湖各典型湿地土壤均表现出一定的N2O释放潜力,同时均以反硝化过程为主,贡献率为52.7%-89.3%;硝化过程的贡献率为10.5%-47.3%。相较而言,无论在枯水期还是丰水期,湖泊和草洲子系统土壤分别具有更强的反硝化和硝化过程N2O产生潜势。此外,湖泊、泥滩和草洲各子系统显著受水文季节变化影响,均表现为丰水期比枯水期具有更高的N2O排放潜势。(2)基于硝化和反硝化功能基因丰度的分析发现,湿地土壤硝化基因(AOA-amo A和AOB-amo A)的丰度为0.64-3.25×10~7copies g-1,远低于反硝化基因(nar G、nir K、nir S和nos Z)的丰度(4.55-12.68×10~7copies g-1),表明反硝化过程在鄱阳湖湿地中更具优势。nar G和AOA-amo A基因分别是反硝化和硝化过程N2O潜在排放的主导生物因子且分别在湖泊和草洲中丰度最高。受水文季节变化影响,湖泊、泥滩和草洲子系统在丰水期均具有更高丰度的反硝化基因(nar G和nir S)。SEM分析发现,SWC可以通过直接影响nar G基因和间接影响AOA-amo A基因丰度来调控潜在的N2O排放。此外,存在3个反硝化功能菌属(Sulfuricella、Ignavibacterium和Sulfuritalea)的相对丰度与N2O排放具有显著正相关。(3)宏基因组测序研究发现:鄱阳湖湿地土壤氮循环途径较为丰富。其中,参与反硝化途径的功能基因多样性为1363,远高于异化还原(355)、硝化(243)、同化还原(131)、氮固定(43)和厌氧氨氧化途径(12)。河口子系统中氮循环过程的N更多地被微生物还原为N2。而湖泊子系统中包含了更为丰富的nrf A和nir B基因,其参与的异化还原过程中会产生N2O的还原底物(NO),这可能会进一步增强N2O的排放。此外,还发现参与鄱阳湖湿地土壤氮循环的功能菌主要来自变形菌门(Proteobacteria),贡献了氮循环相关基因的34%以上。本研究通过室内培养实验结合分子生物学分析对水情变化背景下鄱阳湖典型湿地土壤N2O的潜在排放特征、主导过程及潜在的微生物驱动机制进行了阐释,并对涉及N2O排放的多个氮循环途径相关基因的多样性及其物种来源进行了研究。较为全面的考虑了鄱阳湖不同区域和不同水文季节对N2O排放的影响,对全方位了解和揭示鄱阳湖湿地N2O排放机制具有重要意义,同时也可为其他面临同样水情现状的湖泊湿地提供理论参考。
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