典型生境中氨氧化古菌(AOA)和氨氧化細(xì)胞(AOB)的微生物生態(tài)學(xué)研究.pdf

1、氨氧化古菌(AOA)的發(fā)現(xiàn)是微生物氮素循環(huán)的新內(nèi)容，它打破了氨氧化反應(yīng)僅由氨氧化細(xì)菌(AOB)完成這一傳統(tǒng)觀念，它的發(fā)現(xiàn)對(duì)于完善全球氮素循環(huán)具有重要貢獻(xiàn)。AOA的出現(xiàn)迫使對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中的氨氧化過(guò)程乃至氮循環(huán)通量進(jìn)行重新的評(píng)價(jià)和計(jì)算。至今，兩種同功微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)系究竟是功能的冗余還是由于競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的生態(tài)位分異尚不明晰，不同生態(tài)系統(tǒng)中影響AOA和AOB在氨氧化過(guò)程中相對(duì)貢獻(xiàn)率的環(huán)境因子也不明確。所以，探明不同生態(tài)系統(tǒng)中影響AOA和AOB

2、數(shù)量、群落特征和功能的環(huán)境因素對(duì)于重新評(píng)價(jià)氨氧化過(guò)程和氮循環(huán)通量具有重要意義。本文以氧氣濃度作為自然生態(tài)系統(tǒng)的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，選取好氧生態(tài)系統(tǒng)、低氧生態(tài)系統(tǒng)、好氧/低氧交替生態(tài)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，探究這三類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)中影響AOA和AOB數(shù)量、多樣性、群落結(jié)構(gòu)和功能的主要環(huán)境因子;通過(guò)模擬土柱解析氧氣對(duì)兩種氨氧化微生物的數(shù)量、群落特征及功能的影響。主要研究結(jié)果如下:
　　1)探明了好氧生態(tài)系統(tǒng)（中國(guó)農(nóng)田土壤）中影響AOA和AOB數(shù)量、群落特征

3、的主要環(huán)境因子
　　中國(guó)農(nóng)田土壤中，AOA數(shù)量平均比AOB高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，表明AOA可能是中國(guó)農(nóng)田土壤氨氧化反應(yīng)的主要驅(qū)動(dòng)者，土壤pH值是影響AOA數(shù)量的關(guān)鍵環(huán)境因子。中國(guó)農(nóng)田土壤中AOA和AOB均有著較高的多樣性水平，AOA和AOB的OTU數(shù)量分別為666和454個(gè)，土壤pH值也是影響中國(guó)農(nóng)田土壤中AOA和AOBOTU數(shù)量比值的關(guān)鍵環(huán)境因子。在大多數(shù)中國(guó)農(nóng)田土壤中，土壤簇AOA為優(yōu)勢(shì)AOA菌，而在pH值小于6.0的土壤中，酸性

4、簇AOA為優(yōu)勢(shì)AOA菌，亞硝化螺菌屬AOB是土壤中優(yōu)勢(shì)AOB菌，土壤pH值還是影響中國(guó)農(nóng)田土壤中AOA和AOB群落分布的主要環(huán)境因子。
　　2)探明了低氧生態(tài)系統(tǒng)（錢(qián)塘江沉積物）中影響AOA和AOB數(shù)量、群落特征的主要環(huán)境因子
　　錢(qián)塘江沉積物中AOA的數(shù)量比AOB高出1個(gè)數(shù)量級(jí)，AOA數(shù)量以及AOA與AOB數(shù)量的比值呈現(xiàn)出明顯的空間變化特征，從上游至下游，AOA的數(shù)量以及AOA與AOB數(shù)量的比值均逐漸降低。沉積物pH值、氨

5、氮和總無(wú)機(jī)氮是影響錢(qián)塘江沉積物中AOA數(shù)量的關(guān)鍵環(huán)境因子。沉積物中AOA和AOB的多樣性呈現(xiàn)出明顯的空間變化特征，從上游至下游，AOA的多樣性逐漸降低，AOB的多樣性逐漸升高，沉積物pH值、氨氮、總無(wú)機(jī)氮和有機(jī)碳是影響錢(qián)塘江沉積物中AOA和AOB多樣性的關(guān)鍵環(huán)境因子。錢(qián)塘江沉積物中土壤簇AOA為優(yōu)勢(shì)AOA菌，亞硝化螺菌屬的AOB為優(yōu)勢(shì)AOB菌。
　　3)探明了淡水型好氧/低氧交替生態(tài)系統(tǒng)（三峽消落帶土壤）中影響AOA和AOB數(shù)量、

6、群落特征的主要環(huán)境因子
　　三峽消落帶土壤中，AOA和AOB在消落帶樣品（周期性水淹）中的數(shù)量均低于相應(yīng)的對(duì)照樣品（干旱），表明消落帶土壤的低氧生境對(duì)AOA和AOB的生長(zhǎng)均有抑制作用，但對(duì)AOB的抑制作用要強(qiáng)于AOA。土壤氧化還原電位和硝酸鹽氮是影響三峽消落帶土壤中AOA和AOB數(shù)量的關(guān)鍵環(huán)境因子。消落帶土壤中AOA(90個(gè)OTU)的多樣性水平高于AOB（71個(gè)OTU），與對(duì)照樣品（干旱）相比，三峽消落帶樣品（周期性水淹）中AOA

7、的多樣性增加，AOB的多樣性減少，表明AOA比AOB更加適應(yīng)消落帶土壤（周期性水淹）的低氧環(huán)境。土壤氧化還原電位和pH是影響三峽消落帶土壤中AOA和AOB多樣性的關(guān)鍵環(huán)境因子。土壤簇AOA是三峽消落帶土壤中的優(yōu)勢(shì)AOA菌，亞硝化螺菌屬AOB是優(yōu)勢(shì)AOB菌。壤氧化還原電位是影響AOA群落分布的重要環(huán)境因子。
　　4)探明了海洋型好氧/低氧交替生態(tài)系統(tǒng)（舟山潮間帶沉積物）中影響AOA和AOB數(shù)量、群落特征、功能的主要環(huán)境因子
　

8、　舟山潮間帶沉積物中，AOA的數(shù)量、AOB的數(shù)量、AOA與AOB數(shù)量的比值時(shí)空變化特征顯著。夏季AOA的數(shù)量低于其它三個(gè)季節(jié);沿著氧氣濃度逐漸降低（潮間帶-潮下帶）的方向，AOA的數(shù)量逐漸增加，AOB的數(shù)量逐漸減少，AOA與AOB數(shù)量的比值逐漸增加，表明AOA在低氧生境（潮下帶）中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)更加明顯。沉積物溫度、含水率和總氮是影響沉積物中AOA和AOB數(shù)量的關(guān)鍵環(huán)境因子。沉積物中AOA的多樣性始終高于AOB，沿著氧氣濃度逐漸降低（潮間帶

9、-潮下帶）的方向，AOA和AOB的多樣性均降低。沉積物溫度是影響沉積物中AOB多樣性的關(guān)鍵環(huán)境因子。海洋簇AOA是舟山潮間帶沉積物中的優(yōu)勢(shì)AOA菌，亞硝化螺菌屬的AOB是其中的優(yōu)勢(shì)AOB菌。沉積物氧化還原電位是影響舟山潮間帶沉積物中AOA群落分布的重要環(huán)境因子。沉積物中AOA和AOB的氨氧化活性及在氨氧化過(guò)程中的相對(duì)貢獻(xiàn)率有著明顯的時(shí)空分布特征。冬季，總的氨氧化速率、AOB的氨氧化速率和AOB在氨氧化過(guò)程中的相對(duì)貢獻(xiàn)率顯著低于其它三個(gè)季

10、度;從潮間帶到潮下帶，總的氨氧化速率和AOB的氨氧化速率逐漸降低，AOA的氨氧化速率逐漸增加，AOA的相對(duì)貢獻(xiàn)率逐漸增加，AOB的相對(duì)貢獻(xiàn)率逐漸降低。在氧氣濃度較高的潮間帶沉積物中，AOB主導(dǎo)著沉積物中的氨氧化反應(yīng);相反地，在氧氣濃度較低的潮間帶沉積物中，AOA主導(dǎo)著沉積物中的氨氧化反應(yīng)。
　　5)探明了氧氣對(duì)AOA和AOB數(shù)量、多樣性、群落結(jié)構(gòu)和功能的影響
　　氧氣濃度決定了AOA和AOB的相對(duì)數(shù)量。在氧氣濃度較低的水淹土

11、柱和半干半濕土柱中，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，AOA和AOB的數(shù)量均逐漸降低，但是AOB降低的幅度遠(yuǎn)大于AOA，導(dǎo)致AOA和AOB數(shù)量的比值逐漸增加;在氧氣濃度較高的干旱土柱，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，AOA和AOB數(shù)量的比值逐漸降低。
　　氧氣濃度決定了AOA和AOB的相對(duì)多樣性。在氧氣濃度較低的水淹土柱中，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，AOA與AOB OTU數(shù)量的比值逐漸增加;在氧氣濃度較高的干旱土柱中，AOA與AOB OTU數(shù)量的比值逐漸降低。<

12、br>　　氧氣濃度決定了AOA和AOB的群落結(jié)構(gòu)。土柱中發(fā)現(xiàn)了兩類(lèi)AOA（海洋簇AOA、土壤簇AOA），海洋簇AOA是土柱中的優(yōu)勢(shì)AOA菌。在氧氣濃度較低的水淹土柱中，土壤簇AOA所占比例較小，為0.10％，而在氧氣濃度較高的干旱土柱中，土壤簇AOA所占比例為0.12％。土柱中檢測(cè)到了兩類(lèi)AOB，其中亞硝化螺菌屬的AOB是土柱中的優(yōu)勢(shì)AOB。在氧氣濃度較低的水淹土柱中，亞硝化單胞屬的AOB所占比例最多，為0.18％，在氧氣濃度較高的半干