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太湖沉積物中硝化作用及硝化微生物的分布與活性研究

發(fā)布時間:2020-07-31 16:59
【摘要】:氮素的輸入及富集是導致內陸淡水湖泊富營養(yǎng)化的重要原因之一。硝化-反硝化偶聯(lián)作用可將無機氮轉化成氣體排入大氣,降低水體環(huán)境中氮素的含量;硝化過程是水體發(fā)生反硝化過程的前提,對于維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮素平衡具有重要意義。氨氧化及亞硝酸鹽氧化微生物參與并執(zhí)行了硝化過程,其廣泛分布于陸地、海洋、淡水等自然生態(tài)系統(tǒng)中;目前,上述功能微生物在富營養(yǎng)化湖泊中的分布、群落組成與功能活性仍不清楚,其主要影響因子也不明確。本研究以太湖為研究區(qū)域,采集不同富營養(yǎng)化程度的水體及沉積物樣本,聯(lián)用15N穩(wěn)定同位素示蹤技術、13C穩(wěn)定同位素核酸探針技術、高通量測序技術等手段,研究富營養(yǎng)水平、含氧量、溫度、氮輸入量等因子對太湖沉積物硝化過程及硝化微生物的影響。主要研究結果如下:(1)以太湖氮輸入量較高的中度富營養(yǎng)化梅梁灣湖區(qū)表層沉積物(0~-2 cm)為材料,基于15NH4NO3與NH415NO3雙標記示蹤技術及FLUAZ模型,實驗室模擬太湖水體不同溫度(10℃、20℃與30℃)構建培養(yǎng)實驗。結果發(fā)現(xiàn):10℃、20℃和30℃培養(yǎng)條件下,梅梁灣沉積物初級硝化速率分別為3.83、4.46和12.46 mgKg-1 d.w.s d-1,初級反硝化速率分別為4.14、14.93 和 15.23 mgKg-1 d.w.s d-1,偶聯(lián)脫氮效率分別為10.10%、35.55%和37.21%。不同溫度顯著影響了沉積物初級硝化速率(P0.001)、反硝化速率(P0.001)和偶聯(lián)脫氮效率(P0.001)。且在相同培養(yǎng)溫度下,沉積物初級硝化速率與NH4+-N(P0.05)及TOC含量(P0.05)顯著相關,初級反硝化速率與PNR(P0.05)及NO3-值(P0.05)顯著相關。在10-30℃下,沉積物中36%-84%的NH4+發(fā)生了硝化作用,而硝化作用產生的90%以上的NO3-通過反硝化作用而被去除,33%-81%參與氮循環(huán)的NH4+能夠通過硝化作用而被除去,參與氮循環(huán)的NH4+的脫除率顯著受培養(yǎng)溫度的影響(P0.01)。因此,硝化作用對太湖梅梁灣湖區(qū)沉積物氮脫除具有重要作用。(2)采用基于amoA功能基因和16S rRNA基因的熒光定量PCR、PCR-DGGE與高通量測序等分子生物學技術,調查太湖不同富營養(yǎng)化(中度富營養(yǎng)化梅梁灣湖區(qū)與輕度富營養(yǎng)化湖心區(qū))水體和表層沉積物(0~-2cm)中氨氧化微生物的豐度和硝化微生物群落組成與豐度。結果發(fā)現(xiàn),太湖不同富營養(yǎng)化水平顯著改變了水體與表層沉積物中AOA和AOB的豐度,不同富營養(yǎng)水平未改變硝化微生物的群落組成但改變了各群落的豐度。兩湖區(qū)水樣中AOA群落結構基本相似,兩湖區(qū)表層沉積物樣品中AOA群落組成亦基本相似,但水體與沉積物中的AOA群落結構有差異。Nitrosopumilus和Nitrososphaera類群是水體與沉積物中共有的AOA類群,Nitrosotalea類群僅在水體中檢測到。中度與輕度富營養(yǎng)化湖區(qū)表層沉積物中的AOB主要包含Nitrosospiira和Nitrosomonas類群,中度富營養(yǎng)化湖區(qū)沉積物中AOB以Nitrosospira為主(97.54%),而輕度富營養(yǎng)化湖區(qū)沉積物中AOB以Nitrosomonas為主(51.43%)。兩湖區(qū)沉積物中亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)均以Nitrospira為主。太湖典型富營養(yǎng)化指標(TN、TP、NH4+-N和NO3--N)及富營養(yǎng)相關指標(DO和pH)是影響氨氧化微生物豐度以及硝化微生物群落結構與豐度的重要因素。(3)采用13C-DNA穩(wěn)定同位素核酸標記技術(DNA-based stable isotope probing,DNA-SIP)研究沉積物中“活躍”的硝化微生物類群,結果發(fā)現(xiàn):NH4+-N含量相對較高的中度富營養(yǎng)化湖區(qū)沉積物中“活躍”的AOA主要包括Nitrosopumilus,Nitrosotalea 與Nitrososphaera 類群,NH4+-N含量相對較低的輕度富營養(yǎng)湖區(qū)沉積物中“活躍”的AOA主要包括Nitrosopumilus和Nitrososphaera類群,且兩湖區(qū)沉積物中“活躍”的AOA均以Nitrosopumilus類群為主。兩湖區(qū)中AOB主要包括Nittosomonas和Nitrosospira類群,表層沉積物以Nitrosomonas類群為主,深層沉積物以Nitrosospira類群為主。沉積物樣品中“活躍”的NOB群落主要為Nitrospira屬,且NOB 16S rRNA基因相對豐度隨著NH4+-N含量的提高而降低,并隨著沉積物深度的加深而降低。AOA與AOB分別在NH4+-N含量相對較高的中度富營養(yǎng)化的深層沉積物及NH4+-N含量相對較低的輕度富營養(yǎng)化的表層沉積物中具有較低的活性。上述結果顯示,不同富營養(yǎng)水平(主要為NH4+-N含量)與含氧量水平能夠改變太湖沉積物中氨氧化微生物在硝化過程的地位、硝化微生物群落組成與豐度。(4)以不同富營養(yǎng)化程度的湖區(qū)表層沉積物為研究材料,設置高低兩種氮添加量,實驗室模擬太湖水體不同溫度(10℃、20℃與30℃)構建13C標記的DNA-SIP培養(yǎng)實驗,結果發(fā)現(xiàn):中度富營養(yǎng)化的梅梁灣湖區(qū)沉積物中,不同培養(yǎng)溫度下,AOB主導氨氧化過程,“活躍”類群主要為未知的Nittosomonas-like和Mitrosomonas Is79A3分支,Nitrosomonas-like相對豐度隨著培養(yǎng)溫度的提高而提高,隨著氮輸入量的提高而下降,NitrosomonasIs79A3相對豐度隨培養(yǎng)溫度與氮輸入量變化的規(guī)律則相反;輕度富營養(yǎng)化的梅梁灣湖區(qū)沉積物中,中溫(20℃)與高溫(30℃)培養(yǎng)條件下AOA和AOB主導氨氧化過程,(“活躍”的AOB類群主要為未知的Nitrosomonas-like分支,AOA類群包括Nitsoopumilus和Nitrososphaera類群,Nitrosopumilus相對豐度隨著培養(yǎng)溫度的提高而下降,隨著氮輸入量的提高而提高,Nitrososphaera類群相對豐度隨培養(yǎng)溫度與氮輸入量的變化規(guī)律與之相反,而在低溫(10℃)培養(yǎng)條件下未檢測到“活躍”的自養(yǎng)氨氧化微生物。兩湖區(qū)“活躍”的NOB均以Nitrospira群落為主。培養(yǎng)溫度顯著影響Nitrosopumilus、Nitrososphaera、Nitrosomonas-like、Nitrosomonas Is79A3和Nitrotoga類群相對豐度(P0.05),氮輸入量顯著影響Nitrosomonas Is79A3和Nitrotoga類群相對豐度(P0.01)。上述研究結果表明,不同的培養(yǎng)溫度與氮輸入量能改變了太湖不同富營養(yǎng)化湖區(qū)表層沉積物中氨氧化微生物在硝化過程的地位、硝化微生物群落組成及群落豐度。
【學位授予單位】:南京師范大學
【學位級別】:博士
【學位授予年份】:2018
【分類號】:X524
【圖文】:

過程圖,湖泊生態(tài)系統(tǒng),氮循環(huán),過程


7K體、水-沉積物界面(次好氧-厭氧界面)、沉積物等介質中。湖泊生態(tài)系統(tǒng)中逡逑的氮循環(huán)過程主要包含了固氮作用、礦化作用、硝化作用、反硝化作用、厭氧氨逡逑氧化作用和固定化作用等,這些過程主要由微生物驅動(圖1-1)。逡逑1.1.3湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮轉化過程及速率測定方法逡逑湖泊生態(tài)系統(tǒng)的沉積物中各種形態(tài)的氮無時無刻都在發(fā)生著相互轉化,每一逡逑種形態(tài)的氮,其含量往往由多個轉化過程所控制。例如,即使在無外源氮、無浮逡逑游生物吸收的實驗室微域培養(yǎng)條件下,在硝化作甩產生N03-的同時,no3-能夠逡逑通微生物同化和反硝化作用被消耗,因此,NOr的含量應為no3?產生過程與逡逑消耗過程的綜合結果。在自然條件下,涉及水體沉積物中NH4+、NOf、N03?等逡逑形態(tài)的氮的變化過程更多。依據(jù)測定方法,沉積物氮的轉化速率可分為初級轉化逡逑1逡逑

氨氧化細菌,亞綱,系統(tǒng)發(fā)育分析,基因


邐第1章前言名為邋Nitrosolobus邋muhiformis、,Nitrosospira邋lemiisi邋又命名為邋Nitrosovibrio邋tenu以及其它M/msosp/m類群。逡逑氨氧化古菌(AOA)是一類能夠將重碳酸鹽作為碳源、利用NHf氧化能量進行化能無機自養(yǎng)生活并獨立于氨氧化細菌進化分支外的類群。長期以人們認為僅有細菌參與了氨氧化過程,但AOA的發(fā)現(xiàn)打破了這一認識,改研究者們對于全球氮循環(huán)的認知(K6nnekeetal.2005)。同年,科學家們從中成功分離第一株氨氧化古菌隨后,科學家們又樣的方法從土壤與溫泉中成功分離并富集到新型的古菌菌種(de邋la邋Torre邋e2008;邋Hatzenpichler邋et邋al.邋2008;邋Jung邋et邋al.邋2011;邋Lehtoviita-Morley邋et邋al.邋201Toumaetal.2011)。這些古菌能夠參與氨氧化過程,且廣泛分布于中溫環(huán)因此,又被稱為中溫泉古菌。逡逑

分布圖,富營養(yǎng)化湖泊,太湖,分布圖


文選題的理由與意義逡逑(30°55'40"-31°32'58"N,119°52'32"-120°36'10"E)是我國第三大積為2338m2,也是個淺水湖泊,平均水深不到2ni。太湖位于長三蘇錫常、上海、杭嘉湖地區(qū)居民最重要的水源。但是,隨著人口的濟的高速發(fā)展與人類活動的頻繁影響,工業(yè)廢水,農業(yè)和生活污水排入湖體,使太湖水體營養(yǎng)物質含量升高而形成富營養(yǎng)化,大量的沉積物中沉降富集并不斷地向水體中釋放,成為水體潛在的內源性污要湖區(qū)包括西北部的竺山灣、梅梁灣、貢湖灣、大浦口,東南部的,以及位于靠近湖心位置的湖心區(qū)(圖卜5)邋0在太湖各湖區(qū)中,于更加靠近污染源,因此水質較差,且北部竺山灣、梅梁灣、貢湖袋形狀,污染物易進不易出,容易在湖灣內蓄積,因此,北部湖灣繁暴發(fā),加劇了水體富營養(yǎng)化程度。其中,梅梁灣是太湖受納污染域,也是藻華容易暴發(fā)的區(qū)域,該區(qū)域直接承納直湖港和武進港等廢水(Neilanetal.2014)。而太湖中部至東南部湖區(qū)水質逐漸好轉,上呈現(xiàn)由北向南、由西向東水體富營養(yǎng)水平逐漸下降的趨勢。逡逑

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