论文部分内容阅读
湿地生态系统是生物地球化学循环的活性区域，对流域中的氮素等营养物质具有显著的拦截、过滤和净化作用。尤其在湿地水-土边界处，频繁的水位波动形成“厌氧-好氧”交替的环境，水和土壤之间进行着频繁的水文、物质和能量交换，使其具有特殊的“边界”和“梯度”效应。湿地生态系统非均一的环境为微生物的繁殖提供了充足的养分，在此处氨氧化活性和氮损失速率都较高，成为微生物反应的活性“热区”。 在湿地系统中，微生物对氮素的去除约占90％，氨氧化过程作为无机氮转化为氮气的第一步，对生态系统中氮素去除起着重要作用。氨氧化过程由氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)两种生理特性不同的微生物共同催化，并且AOA和AOB广泛存在于各种环境中。但是目前AOA和AOB对氨氮去除的相对贡献尚不明确，因此本文利用双氰胺和1-辛炔双抑制剂的方法测得AOA和AOB活性，剖析AOA和AOB在不同湿地生态系统中的作用。本文利用包括定量PCR、克隆文库、454高通量测序技术在内的分子生物学手段与氨氧化微生物活性测定相结合，在湿地生态系统中不同功能区、植物床-沟壕系统的结构单元以及全国尺度芦苇湿地研究氨氧化微生物的分布、多样性以及对氨氮去除的贡献，旨在阐述在湿地生态系统中微生物对氨氮去除的机理，为人工湿地的构建和运行提供理论指导，为岸边带修复提供技术支撑。主要研究结果如下: (1)对石臼漾构筑根孔湿地运行的第三到五年（2011年-2013年）的研究发现AOA amoA功能基因的丰度随着湿地的演替以一个数量级趋势降低，在不同功能区AOA丰度变化规律不同:在预处理区和深度净化区，AOA丰度在2011-2012年基本保持不变，在2013年降低;在植物床-沟壕系统中，AOA丰度随着湿地演替逐渐下降。AOA多样性随着湿地的演替，在时间上基本保持不变，而在空间上有略微波动趋势。AOA的群落结构随着湿地的演替发生了水平迁移，并且AOA群落结构的生态位分离首先发生在植物床-沟壕系统，虽然在湿地沉积物中AOA以Nitrososphaera属为主导，但随着湿地运行，Nitrosopumilus属和Nitrososphaera sister属有增加的趋势。综合反映湿地水文、水质和相应功能的运行时间是驱动AOA丰度和群落结构生态位分离的关键因素。总之，在石臼漾湿地运行的第三到五年，AOA丰度在时间上不断降低，空间上趋于一致;AOA多样性在时间上略微降低，空间上呈波动趋势;AOA的群落结构从相对均一状态向多样的群落结构演替，并且在空间上发生了明显的水平转移。 (2)基于氨氧化反应在湿地边界处的“热区”效应以及水陆交错带的生态效应，提出对植物床-沟壕系统形态进行优化改进，并在贯泾港构筑根孔湿地中得以验证。研究结果表明，在植物床-沟壕系统中，氨氧化反应的活性区域发生在小沟中心、植物床边界处;开沟后，氨氧化速率在植物床-沟壕系统中由相对均一的分布变为高异质性分布，开沟增强了氨氧化速率(从1.07±0.30到1.22±1.27mg N kg-1d-1)，氨氧化速率在两个活性区域得到明显增强（在小沟中心增强2.13倍，在植物床边界增强1.76倍）。AOA和AOB在植物床-沟壕系统中占据不同的生态位，AOA在植物床中主导氨氧化过程，AOB在小沟中主导氨氧化过程;开沟后AOB的活性得到显著增强，并且AOB活性的变化是氨氧化速率提高的驱动因子;AOB的活性变化与丰度没有显著相关关系，而开沟后Nitrosomonas属的富集是AOB活性增强的主要因素。氨氧化微生物的系统发育树表明，开沟后AOB由Nitrosospira主导变为Nitrosospira和Nitrosomonas共同在植物床-沟壕系统中占主导;开沟也改变了AOA的群落结构。 (3)对全国尺度21个湿地生态系统表层土壤/沉积物样品中氨氧化微生物的分布和活性研究结果表明，AOA是全国尺度湿地生态系统氨氧化反应的主要驱动者。在湿地生态系统中，AOA amoA功能基因丰度平均比AOB高1-2个数量级（平均值分别为9.85×107copies g-1和4.01×106copies g-1）;并且AOA丰度变化影响着湿地生态系统中氨氧化微生物丰度的变化，pH、有机质和总氮含量也是影响氨氧化微生物分布的主要因子。在湿地生态系统中，AOA的多样性高于AOB。AOB群落结构在大部分湿地中以Nitrosospira属为主导，在碱性较高的湿地中以Nitrosomonas属占主导;AOA群落结构大部分以Nitrososphaera属占主导，7个湿地中以Nitrosopumilus属为主导。AOA和AOB群落结构的聚类受到地理位置的影响。全国尺度湿地生态系统的氨氧化微生物活性为0.08-4.60mg kg-1d-1，具有很高的异质性;总氨氧化速率与AOA和AOB活性均呈现显著性正相关关系，说明AOA和AOB两种氨氧化微生物共同发挥作用，减轻湿地生态系统中氮负荷;但是在湿地生态系统中AOA主导氨氧化过程，氨氧化速率与AOA活性相关性更强也说明AOA是湿地生态系统中氨氧化反应的驱动因子。