典型環(huán)境因子對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程以及亞硝態(tài)氮進一步氧化為硝態(tài)氮的亞硝化過程，而氨氧化過程是硝化作用的限速步驟，是硝化作用的研究重點。硝化作用主要由氨氧化微生物完成，環(huán)境因子通過改變氨氧化微生物的生理活性，進而影響硝化作用強度。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，會對微生物種群數(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。
　　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其微生物產(chǎn)生影響。淹水通常導(dǎo)致土壤有機質(zhì)積累，氧化還原容量增加，土壤pH升高，土壤有機質(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)和相對豐度的重要因素之一。一般認為自養(yǎng)氨氧化細菌最適生長 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菌主導(dǎo)。在低pH土壤中，自養(yǎng)氨氧化細菌的數(shù)量相對

3、較少，活性較低，對底物氨分子更具親和力的氨氧化古菌占優(yōu)勢地位。氧氣是氨氧化反應(yīng)的基質(zhì)。動力學研究發(fā)現(xiàn)，氨氧化古菌對氧氣的半飽和常數(shù)比細菌的低，古菌對氧氣有更高的親和力，在低氧環(huán)境中比氨氧化細菌更有競爭優(yōu)勢。海洋類古菌和土壤類古菌是氨氧化古菌的重要分支，研究它們之間的競爭關(guān)系及其對環(huán)境的適應(yīng)對研究氨氧化古菌有重要意義。
　　本研究采用普通PCR、實時熒光定量PCR、變性梯度凝膠電泳(DGGE)、克隆文庫構(gòu)建及測序、454高通量測序等

4、分子生物學技術(shù)，并結(jié)合穩(wěn)定性同位素核酸標記示蹤技術(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。本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　本實驗在重慶段萬州、豐都和長壽3個典型消落帶區(qū)域，分別采集淹水-落干8年、淹水-落干5年、未淹水對照土壤樣品，通過室內(nèi)培養(yǎng)、qP

5、CR、DGGE分子指紋圖譜和克隆文庫技術(shù)研究土壤硝化活性以及氨氧化古菌和細菌的群落組成差異。結(jié)果表明萬州、豐都和長壽3個消落帶中，土壤有機質(zhì)和pH含量隨淹水-落干時間的增加而增加；除長壽消落帶外，土壤硝化強度也隨著淹水-落干時間的增加而增強；隨著硝化作用的發(fā)生，氨氧化古菌和細菌數(shù)量呈上升趨勢，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；而長壽消落帶則檢測到少量的海洋類古菌Group1.1a；3個消落帶的優(yōu)勢氨氧化細菌均屬于Nitrosospira和Cluster0類群。三峽庫區(qū)獨特的“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，提升了土壤有機質(zhì)含量和pH，增加了土壤硝化作用強度，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)實驗，通過室內(nèi)培養(yǎng)分析土壤硝化作用強度；利用qPCR和454高通量測序研究不同pH和氧氣條件下土壤氨氧化古菌和細菌的數(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)生了強烈硝化作用，且高氧環(huán)境下硝化作用強于低氧環(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。說明pH而非氧氣是影響硝化作用的主要因素，而氧氣對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的適應(yīng)性。
　　綜上所述，我們對典型環(huán)境因子對土壤中的硝化作用及其主導(dǎo)微生物適應(yīng)機制研究可歸結(jié)為三個要點：（1）淹水-落干促進土壤硝化作用，并對氨氧化微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響；（2）p H對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