本文關(guān)鍵詞：長江口潮灘濕地氨氧化菌群動(dòng)態(tài)及活性研究

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【摘要】：近年來,人為來源活性氮的過量排放嚴(yán)重干擾了河口近岸生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)過程,由此導(dǎo)致了水體富營養(yǎng)化、有害藻類赤潮頻發(fā)、近海低氧區(qū)的產(chǎn)生和加劇等重大而急迫的環(huán)境問題。因此,河口近岸生態(tài)系統(tǒng)中氮的生物地球化學(xué)循環(huán)研究引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。氨氧化過程(包括好氧氨氧化與厭氧氨氧化)作為氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié),在氮素的生物地球化學(xué)循環(huán)中起著重要的作用。好氧氨氧化是以O(shè)2作為電子受體,將NH4+氧化成NO2-的過程,是硝化反應(yīng)的第一步及限速步驟；而厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, anammox)是指在厭氧條件下,以NO2-作為電子受體,將NH44+氧化成N2的過程,是新近發(fā)現(xiàn)的重要脫氮環(huán)節(jié)。目前,在河口潮灘生態(tài)系統(tǒng)中有關(guān)好氧/厭氧氨氧化過程還缺乏深入系統(tǒng)地研究,對(duì)其微生物作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不甚清楚。鑒于此,論文以長江口潮灘濕地作為典型研究區(qū),開展了河口潮灘濕地(好氧/厭氧)氨氧化菌群動(dòng)態(tài)及其活性研究。論文的研究工作不僅可深化對(duì)河口潮灘氮素生物地球化學(xué)循環(huán)的理論認(rèn)識(shí),而且可為長江口濕地生態(tài)環(huán)境的管理與保護(hù)提供重要的科學(xué)依據(jù)。本論文取得的主要研究成果和認(rèn)識(shí)包括：(1)運(yùn)用分子生物學(xué)技術(shù),基于氨單加氧酶基因(amoA基因),研究了長江口潮灘表層沉積物中好氧氨氧化細(xì)菌(ammonium-oxidizing bacteria, AOB)與好氧氨氧化古菌(ammonium-oxidizing archaea, AOA)的菌群結(jié)構(gòu)、豐度、活性及其與環(huán)境因子之間的相關(guān)關(guān)系,并采用氨芐青霉素抑制法探討了AOB與AOA對(duì)潛在硝化速率的相對(duì)貢獻(xiàn)�？寺∥膸旆治鼋Y(jié)果表明,沉積物中AOB以Nitrosomonas為優(yōu)勢菌,AOA以Marine group 1.1a為優(yōu)勢菌。AOB與AOA菌群組成及分布與鹽度、pH、氨氮、總磷以及有機(jī)碳含量顯著相關(guān)。AOA相對(duì)于AOB具有較高的amoA基因多樣性。定量PCR表明,多數(shù)采樣點(diǎn)AOB amoA基因拷貝數(shù)(7.36×104～5.20×106 copies g-1)大于AOA amoA基因拷貝數(shù)(5.70 × 104-6.84×105 copies g-1)。潛在硝化速率夏季(4.2～186.3 nmolNg-1h-1)顯著高于冬季(2.9～30.8nmolNg-1h-1),并與鹽度顯著負(fù)相關(guān)。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),潛在硝化速率與AOA的amoA基因拷貝數(shù)存在顯著正相關(guān)關(guān)系,而與AOB amoA基因拷貝數(shù)不存在顯著相關(guān)關(guān)系。氨芐青霉素抑制實(shí)驗(yàn)表明,研究區(qū)內(nèi)AOA對(duì)好氧氨氧化過程的貢獻(xiàn)率為73.4%～86.9%。(2)運(yùn)用分子生物學(xué)技術(shù)與氮穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)系統(tǒng)揭示了長江口潮灘表層沉積物中anammox菌的菌群多樣性、豐度及其活性。Anammox菌16S rRNA基因系統(tǒng)發(fā)育分析表明,沉積物中anammox菌群組成具有高的生物多樣性,但存在明顯的空間分布差異。研究發(fā)現(xiàn),鹽度是影響anammox菌群組成及分布的關(guān)鍵環(huán)境因素。沉積物中anammox菌16S rRNA基因豐度在2.63×106～1.56× 107 copies g-1范圍內(nèi),其時(shí)空分布與鹽度、溫度及亞硝氮含量顯著相關(guān)。Anammox過程的反應(yīng)速率為0.94～6.61nmol Ng-1h-1,主要受溫度、亞硝氮含量及anammox菌豐度控制；并且,anammox過程對(duì)河口潮灘濕地總脫氮貢獻(xiàn)約為6.6%-12.9%。(3)潮灘自陸向海分為高潮灘、中潮灘和低潮灘,不同潮灘位置其生境存在顯著差異,進(jìn)而可能會(huì)影響沉積物中氨氧化速率及相關(guān)功能菌的空間分異。為此,論文探討了好氧／厭氧氨氧化過程對(duì)不同潮灘位置環(huán)境差異的響應(yīng)。研究表明,沉積物中AOB多樣性從高潮灘到低潮灘逐漸升高,而AOA多樣性呈現(xiàn)相反的變化趨勢。不同潮灘位置適宜不同的AOB與AOA菌群生長。amoA基因豐度在夏季從高潮灘到低潮灘逐漸升高,而在冬季從高潮灘到低潮灘逐漸降低,這與潛在硝化速率在不同潮灘位置的變化趨勢相一致。不同潮灘位置anammox菌所屬菌屬不同,中潮灘和高潮灘以Kuenenia為主,而低潮灘以Scalindua為主。中潮灘anammox菌多樣性高于高潮灘和低潮灘。Anammox菌16S rRNA基因豐度從高潮灘到低潮灘有逐漸升高的趨勢。此外,anammox速率也從高潮灘向低潮灘逐漸升高,與anammox菌豐度的變化趨勢相一致。(4)由潮汐作用引起的潮灘上覆水和地下水的周期性波動(dòng),會(huì)通過控制營養(yǎng)鹽運(yùn)移,進(jìn)而影響潮灘濕地厭氧氨氧化過程。為此,本論文探討了潮汐作用對(duì)anammox過程及anammox菌群動(dòng)態(tài)變化的影響機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),anammox速率在潮灘的剖面分布表現(xiàn)為：沉積物表層最高(4月份：0.61nmol Ng-1h-1；10月份：0.66 nmol Ng-1h-1),之后隨深度逐漸降低,在沉積物柱的中間過渡層達(dá)到最低值(4月份：0.16 nmol Ng-1h-1;10月份：0.28 nmol Ng-1h-1)。然而,在地下水控制層anammox速率又開始明顯升高。Anammox菌的豐度也呈現(xiàn)出相似的剖面分布行為。盡管anammox菌群結(jié)構(gòu)沒有呈現(xiàn)出明顯的剖面差異,但是anammox速率與anammox菌豐度的剖面分布特征反映了潮汐作用可通過控制反應(yīng)基質(zhì)的供給影響潮灘濕地anammox過程。營養(yǎng)鹽的剖面分布、地下水的潮周期波動(dòng)特征、以及潮汐模擬實(shí)驗(yàn)等也驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】：氮循環(huán) 好氧氨氧化 厭氧氨氧化 功能基因 潮灘 長江口
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X172
【目錄】：

• 摘要7-10
• ABSTRACT10-17
• 圖名目錄17-19
• 表名目錄19-20
• 第一章 緒論20-38
• 1.1 問題的提出與研究意義20-22
• 1.2 河口潮灘氮循環(huán)22-26
• 1.3 國內(nèi)外研究進(jìn)展26-35
• 1.3.1 好氧氨氧化過程國內(nèi)外研究進(jìn)展26-29
• 1.3.2 厭氧氨氧化過程國內(nèi)外研究進(jìn)展29-32
• 1.3.3 環(huán)境氨氧化微生物分析方法國內(nèi)外研究進(jìn)展32-35
• 1.4 論文研究目標(biāo)與技術(shù)路線35-38
• 1.4.1 研究目標(biāo)35
• 1.4.2 技術(shù)路線35-38
• 第二章 研究區(qū)域概況38-44
• 2.1 長江口自然地理特征38-40
• 2.1.1 氣候和水文38-39
• 2.1.2 沖淤和地貌39
• 2.1.3 潮灘特征39-40
• 2.2 典型采樣點(diǎn)環(huán)境特征40-44
• 第三章 長江口潮灘濕地好氧氨氧化菌群動(dòng)態(tài)及其活性44-76
• 3.1 引言44-46
• 3.2 研究方法46-50
• 3.2.1 樣品采集46
• 3.2.2 理化因子分析46
• 3.2.3 DNA提取與功能基因擴(kuò)增46-47
• 3.2.4 測序及系統(tǒng)發(fā)育分析47-48
• 3.2.5 實(shí)時(shí)熒光定量PCR48-49
• 3.2.6 潛在硝化速率測定49
• 3.2.7 統(tǒng)計(jì)分析49-50
• 3.2.8 序列登錄號(hào)50
• 3.3 研究結(jié)果50-69
• 3.3.1 采樣點(diǎn)理化特征50-52
• 3.3.2 細(xì)菌與古菌amoA基因系統(tǒng)發(fā)育及多樣性分析52-61
• 3.3.3 研究區(qū)AOB與AOA菌群結(jié)構(gòu)的時(shí)空差異61
• 3.3.4 AOB與AOA amoA基因豐度61-65
• 3.3.5 AOB與AOA菌群結(jié)構(gòu)、豐度與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系65-67
• 3.3.6 潛在硝化速率67-69
• 3.4 分析與討論69-73
• 3.5 本章小結(jié)73-76
• 第四章 長江口潮灘濕地厭氧氨氧化菌群動(dòng)態(tài)及其活性76-103
• 4.1 引言76-77
• 4.2 研究方法77-83
• 4.2.1 樣品采集77-78
• 4.2.2 沉積物理化性質(zhì)分析78-79
• 4.2.3 沉積物總DNA提取及PCR擴(kuò)增79-80
• 4.2.4 克隆、測序及系統(tǒng)發(fā)育分析80
• 4.2.5 實(shí)時(shí)熒光定量PCR80-81
• 4.2.6 Anammox速率與反硝化速率的測定81-82
• 4.2.7 統(tǒng)計(jì)分析82-83
• 4.2.8 序列登錄號(hào)83
• 4.3 研究結(jié)果83-95
• 4.3.1 長江口潮灘濕地anammox菌的發(fā)現(xiàn)83-84
• 4.3.2 Anammox菌群組成、多樣性及時(shí)空分布84-92
• 4.3.3 潮灘濕地Anammox菌豐度92-93
• 4.3.4 Anammox速率及反硝化速率93-95
• 4.4 分析與討論95-100
• 4.5 本章小結(jié)100-103
• 第五章 氨氧化過程對(duì)不同潮灘位置環(huán)境差異的響應(yīng)103-128
• 5.1 引言103-104
• 5.2 樣品采集與研究方法104-107
• 5.2.1 樣品采集104-105
• 5.2.2 理化因子分析105
• 5.2.3 沉積物總DNA提取、PCR、克隆、測序以及系統(tǒng)發(fā)育分析105-106
• 5.2.4 實(shí)時(shí)熒光定量PCR106
• 5.2.5 潛在硝化速率及anammox速率測定106
• 5.2.6 統(tǒng)計(jì)分析106-107
• 5.2.7 序列登錄號(hào)107
• 5.3 好氧氨氧化過程對(duì)高中低潮灘環(huán)境差異的響應(yīng)107-119
• 5.3.1 好氧氨氧化菌群組成對(duì)高中低潮灘環(huán)境差異的響應(yīng)108-115
• 5.3.2 好氧氨氧化菌豐度對(duì)高中低潮灘環(huán)境差異的響應(yīng)115-118
• 5.3.3 潛在硝化速率對(duì)高中低潮灘環(huán)境差異的響應(yīng)118-119
• 5.4 厭氧氨氧化過程對(duì)高中低潮灘環(huán)境差異的響應(yīng)119-126
• 5.4.1 厭氧氨氧化菌群組成對(duì)高中低潮灘環(huán)境差異的響應(yīng)119-124
• 5.4.2 厭氧氨氧化菌豐度及活性對(duì)高中低潮灘環(huán)境差異的響應(yīng)124-126
• 5.5 本章小結(jié)126-128
• 第六章 潮汐作用對(duì)潮灘濕地厭氧氨氧化過程的影響機(jī)理128-152
• 6.1 引言128-129
• 6.2 樣品采集與研究方法129-133
• 6.2.1 樣品采集129
• 6.2.2 理化因子分析129-130
• 6.2.3 潛在硝化速率測定130
• 6.2.4 Anammox速率與反硝化速率的測定130
• 6.2.5 硝酸鹽異化還原成銨(DNRA)速率的測定130-131
• 6.2.6 潮汐作用模擬實(shí)驗(yàn)131-132
• 6.2.7 沉積物總DNA提取、PCR、克隆、測序以及系統(tǒng)發(fā)育分析132
• 6.2.8 末端限制性片段長度多態(tài)性分析(T-RFLP)132
• 6.2.9 實(shí)時(shí)熒光定量PCR132-133
• 6.2.10 序列登錄號(hào)133
• 6.3 潮汐作用對(duì)厭氧氨氧化過程的影響133-150
• 6.3.1 厭氧氨氧化速率的剖面分布行為135-137
• 6.3.2 厭氧氨氧化菌豐度的剖面分布行為137
• 6.3.3 厭氧氨氧化菌群結(jié)構(gòu)的剖面分布行為137-138
• 6.3.4 潮汐作用對(duì)厭氧氨氧化過程影響的初步分析138-144
• 6.3.5 潮汐作用引起地下水位波動(dòng)的驗(yàn)證144-147
• 6.3.6 潮汐影響模擬實(shí)驗(yàn)147-148
• 6.3.7 潮汐作用下anammox過程與相關(guān)氮循環(huán)過程的耦合148-150
• 6.4 本章小結(jié)150-152
• 第七章 結(jié)論與展望152-156
• 7.1 主要結(jié)論152-154
• 7.2 論文特色與創(chuàng)新154-155
• 7.3 研究展望155-156
• 參考文獻(xiàn)156-177
• 作者簡歷177
• 攻讀學(xué)位期間參與科研項(xiàng)目177-178
• 攻讀學(xué)位期間科研成果178-181
• 后記181-18

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1 沈珈琦;吳晟e，

本文編號(hào)：552890