典型環(huán)境因子對(duì)硝化作用和氨氧化微生物生理生態(tài)的影響.pdf

1、硝化作用是全球氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，包括將氨氧化為亞硝酸的氨氧化過(guò)程以及亞硝態(tài)氮進(jìn)一步氧化為硝態(tài)氮的亞硝化過(guò)程，而氨氧化過(guò)程是硝化作用的限速步驟，是硝化作用的研究重點(diǎn)。硝化作用主要由氨氧化微生物完成，環(huán)境因子通過(guò)改變氨氧化微生物的生理活性，進(jìn)而影響硝化作用強(qiáng)度。有研究表明環(huán)境因子如銨濃度、溫度、施肥處理、土壤類型、重金屬脅迫、氧氣和水分等變化，會(huì)對(duì)微生物種群數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)和活性產(chǎn)生影響，探究環(huán)境因子對(duì)氨氧化微生物的影響已成為近些年硝化作用研

2、究的重點(diǎn)。
　　水是生物生命存在和延續(xù)的基本物質(zhì)，土壤水分變化必然對(duì)其微生物產(chǎn)生影響。淹水通常導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)積累，氧化還原容量增加，土壤pH升高，土壤有機(jī)質(zhì)與氧化還原容量與氨氧化古菌活性具有極佳的相關(guān)性。土壤pH是影響氨氧化微生物活性、群落結(jié)構(gòu)和相對(duì)豐度的重要因素之一。一般認(rèn)為自養(yǎng)氨氧化細(xì)菌最適生長(zhǎng) pH為6.6-8.0或者更高，在中堿性土壤的研究中，大多研究表明其氨氧化作用主要有細(xì)菌主導(dǎo)。在低pH土壤中，自養(yǎng)氨氧化細(xì)菌的數(shù)量相對(duì)

3、較少，活性較低，對(duì)底物氨分子更具親和力的氨氧化古菌占優(yōu)勢(shì)地位。氧氣是氨氧化反應(yīng)的基質(zhì)。動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，氨氧化古菌對(duì)氧氣的半飽和常數(shù)比細(xì)菌的低，古菌對(duì)氧氣有更高的親和力，在低氧環(huán)境中比氨氧化細(xì)菌更有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。海洋類古菌和土壤類古菌是氨氧化古菌的重要分支，研究它們之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系及其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)對(duì)研究氨氧化古菌有重要意義。
　　本研究采用普通PCR、實(shí)時(shí)熒光定量PCR、變性梯度凝膠電泳(DGGE)、克隆文庫(kù)構(gòu)建及測(cè)序、454高通量測(cè)序等

4、分子生物學(xué)技術(shù)，并結(jié)合穩(wěn)定性同位素核酸標(biāo)記示蹤技術(shù)(DNA-SIP)等方法，深入探究典型環(huán)境因子（水分、pH、氧氣）對(duì)硝化作用及其主導(dǎo)氨氧化微生物類群及其生理代謝特征的影響，揭示了典型環(huán)境因子（水分、pH、氧氣）對(duì)土壤中氨氧化微生物的定向選擇效應(yīng)造成的生態(tài)位分異現(xiàn)象。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　本實(shí)驗(yàn)在重慶段萬(wàn)州、豐都和長(zhǎng)壽3個(gè)典型消落帶區(qū)域，分別采集淹水-落干8年、淹水-落干5年、未淹水對(duì)照土壤樣品，通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)、qP

5、CR、DGGE分子指紋圖譜和克隆文庫(kù)技術(shù)研究土壤硝化活性以及氨氧化古菌和細(xì)菌的群落組成差異。結(jié)果表明萬(wàn)州、豐都和長(zhǎng)壽3個(gè)消落帶中，土壤有機(jī)質(zhì)和pH含量隨淹水-落干時(shí)間的增加而增加；除長(zhǎng)壽消落帶外，土壤硝化強(qiáng)度也隨著淹水-落干時(shí)間的增加而增強(qiáng)；隨著硝化作用的發(fā)生，氨氧化古菌和細(xì)菌數(shù)量呈上升趨勢(shì)，D GG E條帶數(shù)量、位置和亮度均發(fā)生明顯變化；氨氧化功能基因amoA的系統(tǒng)發(fā)育分析表明：萬(wàn)州和豐都消落帶氨氧化古菌均屬于土壤類古菌Gro up1

6、.1b；而長(zhǎng)壽消落帶則檢測(cè)到少量的海洋類古菌Group1.1a；3個(gè)消落帶的優(yōu)勢(shì)氨氧化細(xì)菌均屬于Nitrosospira和Cluster0類群。三峽庫(kù)區(qū)獨(dú)特的“冬蓄夏泄”管理方式，導(dǎo)致淹水-落干8年的土壤經(jīng)歷了周期性的淹水-落干水分脅迫，提升了土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH，增加了土壤硝化作用強(qiáng)度，并可能改變了土壤氨氧化微生物群落結(jié)構(gòu)。
　　選擇活性氨氧化古菌為海洋類古菌 Gro up1.1a-assoc iated的酸性森林土和活性氨氧化

7、古菌為土壤類古菌Gro up1.1b的堿性水稻土，等干重混合，調(diào)節(jié)混合土壤pH和氧氣濃度；展開穩(wěn)定性同位探針微宇宙室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)分析土壤硝化作用強(qiáng)度；利用qPCR和454高通量測(cè)序研究不同pH和氧氣條件下土壤氨氧化古菌和細(xì)菌的數(shù)量變化規(guī)律和活性氨氧化微生物種類。結(jié)果表明，土壤混合后，低pH下沒有硝化作用發(fā)生，而pH6.0和7.6發(fā)生了強(qiáng)烈硝化作用，且高氧環(huán)境下硝化作用強(qiáng)于低氧環(huán)境；加底物培養(yǎng)后，氨氧化古菌數(shù)量明顯增加；活性氨

8、氧化古菌幾乎全為土壤類古菌Gro up1.1b。說(shuō)明pH而非氧氣是影響硝化作用的主要因素，而氧氣對(duì)硝化作用也有一定影響，土壤類古菌在中堿性土壤中的高氧和低氧環(huán)境有活性，比海洋類古菌具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。
　　綜上所述，我們對(duì)典型環(huán)境因子對(duì)土壤中的硝化作用及其主導(dǎo)微生物適應(yīng)機(jī)制研究可歸結(jié)為三個(gè)要點(diǎn)：（1）淹水-落干促進(jìn)土壤硝化作用，并對(duì)氨氧化微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響；（2）p H對(duì)硝化作用的影響大于氧氣（3）土壤類古菌在中堿性土壤中的高氧