南流江河口湿地盐度梯度下硝化微生物群落动态研究

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河口湿地位于陆海交互地带,地球生物化学过程活跃。经济快速发展产生的大量活性氮输入到河口环境中,带来一系列生态环境问题,而深入理解氮循环微生物过程有助于应对河口氮污染等环境问题。硝化过程在氮循环中发挥着至关重要的作用,最近全程硝化菌(comammox)的发现,即单一微生物个体将氨直接催化为硝酸盐,改变了一百多年来硝化过程需要两种不同微生物催化的传统认识,该发现也使comammox成为硝化微生物过程的研究热点之一。硝化过程会受到多种环境因素的影响,其中盐度是影响硝化过程重要的环境因子之一。河口湿地处于陆海交汇处,近岸地区潮汐作用强烈,近岸沉积物形成天然的盐度梯度,是研究硝化过程的热点区域。目前,盐度对于硝化微生物尤其是对comammox的影响机制还未明晰。因此本文以我国广西南流江河口湿地作为研究区域,研究了盐度梯度下comammox Nitrospira以及传统硝化微生物:氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)以及硝化螺旋菌Nitrospira(亚硝酸盐氧化菌(NOB)+comammox)的群落分布特征;并探究了目前唯一可获得的comammox纯菌Nitrospira inopinata对盐度的响应。主要有以下研究成果:(1)基于AOA、AOB和Nitrospira的功能基因系统发育分析表明:研究区的样点中,AOA的主要类群为Nitrososphaera(groupⅠ.1b)和Nitrosopumilus(groupⅠ.1a)。所有样点中均检出亚硝化单胞菌Nitrosomonas-AOB,而亚硝化螺旋菌Nitrosospira-AOB分布在高盐区样点中。在Nitrospira-NOB中,大多数样品中以Nitrospira lineage II和IV为主要类群,而Nitrospira lineage I仅在低盐区中检出。(2)基于4套comammox功能基因特异性引物所获得的序列系统发育分析表明:comammox Nitrospira主要由clade A组成,所有样点中均存在clade A1,表明其可以适应更广泛的盐度,而clade A2主要存在于低盐区中。(3)南流江河口沉积物中comammox Nitrospira-amoA、AOA-amoA、AOB-amoA、Nitrospira-nxr B基因丰度分别为1.30~6.70×106、2.29×106~1.69×107、5.47×105~2.75×106以及1.36×108~2.06×1010 copies g-1。Nitrospira-nxr B的基因丰度在各个样点中均居于最高水平;AOA-amoA的基因丰度在不同的盐度梯度下始终大于AOB-amoA的丰度;AOB-amoA基因丰度随着盐度的升高而降低;Nitrospira-nxr B在低盐度样点的基因丰度小于高盐度;AOA-amoA和comammox Nitrospira-amoA基因丰度随着盐度梯度没有发生明显的变化。(4)根据共现性网络分析表明,研究区硝化微生物物种之间主要为正相关关系(94.31%);菌群结构与环境因子的典范对应分析(CCA)和Partial mantel test分析表明,comammox Nitrospira、AOA、AOB与Nitrospira的菌群结构分布与盐度呈显著的正相关关系(P<0.05)。(5)Comammox纯菌N.inopinata在不同盐度梯度下的硝化活性实验表明:N.inopinata生理代谢和最适生长盐度为0.5‰。当盐度提高到12.8‰,其氨氧化活性停止,而仍保持亚硝酸盐氧化活性。此外,N.inopinata作为全程硝化菌clade A1分支并同时为硝化螺旋菌Nitrospira lineage Ⅱ分支,其对不同盐度水平的响应与全程硝化菌和硝化螺旋菌随盐度梯度下的群落动态一致。
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