地下河口微生物的群落结构以及对氮素去除的过程机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 吴佳鹏 |
| 答辩日期 | 2019 |
| 授予单位 | 南海海洋研究所 |
| 导师 | 洪义国,龙爱民 |
| 关键词 | 地下河口，氮素去除，反硝化，厌氧氨氧化，群落结构 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 其他题名 | Microbial community composition and its role in nitrogen removal in Subterranean Estuary |
| 英文摘要 | 人类活动导致了活性氮过负荷，在河口和近海引发了一系列严重的生态环境问题，使得河口和近海氮素生物地球化学循环成为研究热点。然而近几年来，研究发现地下河口（Subterranean Estuary, STE）在调控地下水营养物质的输入和输出过程中发挥关键作用，但对参与其中生物地球化学过程的微生物作用机制还知之甚少。本文采用地下水和海水交换速率测定、15N同位素示踪、功能基因高通量测序分析等技术方法，系统开展了高渗透性和低渗透性地下河口氮素去除的反硝化和厌氧氨氧化的速率分布，分析了这两种功能微生物的生态分布特征以及地下水和海水交换对微生物群落结构的影响，探讨了地下河口有氧-无氧界面（AATZ）氮素去除的微生物作用机制。研究结果深化了对地下河口氮素去除生物地球循环过程的认识，为准确评估全球不同类型地下河口氮素去除和N2O通量提供了理论依据。本研究取得的主要研究结论如下：（1）对美国弗吉尼亚州Gloucester Point地下河口（GP-STE）高渗透性沉积柱的微生物的多样性结构分布进行了高通量测序分析。结果表明，随着沉积物采样深度增加，细菌相对丰度下降，而以Crenarchaea为主的古菌相对丰度却不断上升。沿着GP-STE垂直方向的氧化还原梯度，微生物群落结构和代谢途径发生了显著变化，上层沉积物（0?50 cm）主要以有氧代谢过程为主，深层沉积物（60?100 cm）则主要以无氧代谢为主，而中层的AATZ（50?60 cm）微生物群落多样性最高，与代谢途径的多样性有较高的对应性，推测AATZ是高渗透性地下河口中生物地球化学过程反应的热点区域。 （2）GP-STE沉积物中，反硝化作用的潜在速率、丰度和多样性均高于厌氧氨氧化作用，是氮素去除的主要途径。反硝化和厌氧氨氧化潜在速率、丰度和多样性的最高值出现在AATZ，海水和地下水活跃的交换作用形成了沉积物显著的氧化还原梯度变化，影响了氮去除微生物的群落结构和丰度，使得AATZ成为地下河口氮素去除的热点。沉积物中共发现10簇反硝化细菌，其组成为：Acidithiobacillia纲（33.35%）、α-变形菌纲（24.11%）、β-变形菌纲（9.92%）、ε-变形菌（9.07%）和γ-变形菌纲（7.20%），均属于变形菌门；厌氧氨氧化细菌主要以Ca. Brocadia（58.00%）为主，此外还有Ca. Kuenenia（9.50%）、Ca. Scalindua（28.29%）和Unknown（4.22%）。N2O浓度为0.06?0.13 ppm，60 cm处检测到最大值，α-变形菌纲（54.22%）是基于nosZ基因的主要N2O转化关键微生物类群。通过估算发现，GP-STE氮素去除通量为：4.8 mol N m-3 year-1，同时，GP-STE也是N2O释放的一个不可忽略的源，活跃的氮去除过程同时促进了N2O释放。（3）高渗透性珠江地下河口沉积物中，反硝化作用的潜在速率、丰度和多样性均高于厌氧氨氧化作用，是氮素去除的主要途径。反硝化细菌群落组成为：α-变形菌纲（48.30%）、β-变形菌纲（40.16%）和γ-变形菌纲（11.54%），均属于变形菌门；厌氧氨氧化细菌主要以Ca. Scalindua（35.12%）为主，此外还有Ca. Kuenenia（19.14%）、Ca. Brocadia（1.19%）和三个未知簇Cluster 1 （4.24%）、Cluster 2（25.64%）和Cluster 3（14.67%）。地下河口潮中带（Core B）检测到地下水和海水交换速率的最大值，ORP垂向变化显著影响了氮素去除微生物活性、丰度与群落结构，有氧-无氧界面（AATZ）中检测到了反硝化和厌氧氨氧化速率、丰度的高值，同时反硝化细菌与厌氧氨氧化细菌的丰度和多样性指数之间都存在显著的正相关关系，因此，AATZ中反硝化-厌氧氨氧化耦合作用能有效将地下河口中的DIN移除。通过估算发现，珠江地下河口氮素去除通量约为：559.08 t N year-1。（4）与高渗透性地下河口相比，大亚湾低渗透性地下河口沉积物具有显著不同的微生物氮汇特征，其中反硝化细菌的潜在速率、丰度和多样性均高于厌氧氨氧化细菌，是氮素去除的主要途径。反硝化细菌群落组成为：γ-变形菌纲（38.7%）、α-变形菌纲（18.6%）和β-变形菌纲（3.5%）。而Ca. Scalindua是主要的厌氧氨氧化类群（28.9%），其次为Ca. Brocadia（23.4%）和Ca. Kuenenia （21.7%）。反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌在地下河口中呈现均匀分布，这与均质沉积物的低渗透特性一致。通过低渗透性地下河口陆-海界面活跃的反硝化和厌氧氨氧化作用，能有效地将输入到地下河口的氮素去除，因此全球地下河口氮汇通量估算中不能忽视低渗透性沉积物对氮素的去除贡献。上述研究表明：地下河口是微生物氮汇活跃区，反硝化和厌氧氨氧化过程发挥关键的氮去除作用，其中反硝化过程发挥主导作用。地下河口沉积物中反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌都有高的多样性，反硝化细菌主要以变形菌纲为主，厌氧氨氧化细菌则以Ca. Scalindua、Ca. Brocadia和Ca. Kuenenia为主。地下水和海水交换形成的垂向氧化还原梯度变化显著影响微生物的群落结构和功能，其中有氧-无氧界面是地下河口氮素去除的热点区域，同时也是N2O的源。 |
| 源URL | [http://ir.scsio.ac.cn/handle/344004/18167]  |
| 专题 | 南海海洋研究所_学位论文（博士） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 吴佳鹏. 地下河口微生物的群落结构以及对氮素去除的过程机制[D]. 南海海洋研究所. 2019. |
入库方式： OAI收割
来源：南海海洋研究所
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