典型生境中氨氧化古菌(AOA)和氨氧化細胞(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)僅由氨氧化細菌(AOB)完成這一傳統(tǒng)觀念，它的發(fā)現(xiàn)對于完善全球氮素循環(huán)具有重要貢獻。AOA的出現(xiàn)迫使對生態(tài)系統(tǒng)中的氨氧化過程乃至氮循環(huán)通量進行重新的評價和計算。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爭導(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在氨氧化過程中相對貢獻率的環(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)境因素對于重新評價氨氧化過程和氮循環(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)的分類標準，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)作為研究對象，探究這三類生態(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;通過模擬土柱解析氧氣對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
　　中國農(nóng)田土壤中，AOA數(shù)量平均比AOB高1-2個數(shù)量級，表明AOA可能是中國農(nóng)田土壤氨氧化反應(yīng)的主要驅(qū)動者，土壤pH值是影響AOA數(shù)量的關(guān)鍵環(huán)境因子。中國農(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，土壤pH值也是影響中國農(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)中國農(nóng)田土壤中，土壤簇AOA為優(yōu)勢AOA菌，而在pH值小于6.0的土壤中，酸性

4、簇AOA為優(yōu)勢AOA菌，亞硝化螺菌屬AOB是土壤中優(yōu)勢AOB菌，土壤pH值還是影響中國農(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
　　錢塘江沉積物中AOA的數(shù)量比AOB高出1個數(shù)量級，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、氮和總無機氮是影響錢塘江沉積物中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、總無機氮和有機碳是影響錢塘江沉積物中AOA和AOB多樣性的關(guān)鍵環(huán)境因子。錢塘江沉積物中土壤簇AOA為優(yōu)勢AOA菌，亞硝化螺菌屬的AOB為優(yōu)勢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)的對照樣品（干旱），表明消落帶土壤的低氧生境對AOA和AOB的生長均有抑制作用，但對AOB的抑制作用要強于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OTU)的多樣性水平高于AOB（71個OTU），與對照樣品（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AOA菌，亞硝化螺菌屬AOB是優(yōu)勢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)量的比值時空變化特征顯著。夏季AOA的數(shù)量低于其它三個季節(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）中的競爭優(yōu)勢更加明顯。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AOA菌，亞硝化螺菌屬的AOB是其中的優(yōu)勢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程中的相對貢獻率有著明顯的時空分布特征。冬季，總的氨氧化速率、AOB的氨氧化速率和AOB在氨氧化過程中的相對貢獻率顯著低于其它三個季

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的相對貢獻率逐漸增加，AOB的相對貢獻率逐漸降低。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的相對多樣性。在氧氣濃度較低的水淹土柱中，隨著培養(yǎng)時間的增加，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AOA（海洋簇AOA、土壤簇AOA），海洋簇AOA是土柱中的優(yōu)勢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％。土柱中檢測到了兩類AOB，其中亞硝化螺菌屬的AOB是土柱中的優(yōu)勢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