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由微生物驱动的氮素循环(硝化作用、反硝化作用和厌氧氨氧化作用等),是河口生态系统生物地球化学循环的重要组成部分,对水体富营养化、温室效应和臭氧层破坏等环境问题都具有重要影响。这些促氮循环微生物多样性,与诸多环境因子密切相关,特别是外来植物互花米草(Jpartina alternifloraLoisel.)的入侵,已对我国河口生态系统产生了较深刻影响。为正确评价互花米草入侵对河口生态系统促氮循环微生物多样性的影响,本研究以主要促氮循环基因(amoA、nirS、nirK和16s rRNA)为分子标记,以典型互花米草入侵地福建省九龙江口红树林保护区不同植被(光滩、互花米草、红树林和短叶江芏)和浙江省杭州湾入海口不同植被(光滩、互花米草和海三棱薦草)下的沉积物为主要研究对象,应用PCR-DGGE、定量PCR及克隆和测序等方法,分析、比较不同区域、不同植被类型和不同深度的沉积物中,主要促氮循环微生物功能菌群组成、含量及其与环境因子相关性,并将所得DNA序列进行系统进化发育分析。得出互花米草成功入侵后河口生态系统植被演替过程中,氮循环主要功能菌群动态变化特征及其与环境因子的相关性,评价互花米草入侵对河口生态系统主要促氮循环微生物功能菌群多样性影响,揭示互花米草入侵后适应环境的分子生态学机理。主要研究结果如下：
㈠福建省九龙江口红树林保护区研究结果：⑴互花米草入侵改变了河口沉积物理化性质和养分循环,减少了沉积物总碳和总氮含量,但促进了硫化物累积；与土著植物红树林和短叶江芏相比,互花米草入侵改变了细菌群落结构组成,降低了沉积物中细菌的丰富度；沉积物中细菌群落多样性与沉积物理化性质密切相关。⑵与本土植物红树林区域沉积物表层(O,0-5cm)和深层(R,5-20cm)相比,互花米草入侵区域的氨氧化古菌(AOA)-amoA基因含量分别降低了10.3倍与45.1倍,但氨氧化细菌(AOB)-amoA基因含量反而增加了8.8倍(O,0-5cm)和80％(R,5-20cm)。AOA-amoA含量总是高于AOB-amoA,尤其是在红树林区域。AOA含量与沉积物pH值和总硫含量呈负相关,但与细菌含量、总碳和总氮皆呈正相关。表层中AOA和AOB含量,总是高于相应的深层沉积物的含量。植被类型对AOB群落结构组成无明显影响,但互花米草入侵降低了AOA多样性。⑶与土著植物红树林和短叶江芏相比,互花米草入侵显著改变了nirK和nirS型反硝化菌的群落组成结构,在连续两年采集的沉积物中,互花米草入侵区域均检测到了不同于其它区域的特异nirK基因DNA条带；与本土植物相比,互花米草入侵降低了nirK和nirS基因含量,并与沉积物理化性状,如:pH值、总氮、总碳、总硫和铵等密切相关,而与硝态氮无明显相关；经冗余分析(RDA),总氮、总硫、铵、pH值和C/N等环境因子,均与nirK和nirS型反硝化菌的组成密切相关。⑷互花米草入侵区域厌氧氨氧化菌的测序分析结果表明,厌氧氨氧化菌与氨氧化菌和反硝化菌皆存在于同一生态系统中,互花米草根际的厌氧氨氧化菌多样性较低,且与已知的DNA序列有高度的相似度。
㈡浙江省杭州湾入海口区域研究结果：应用相似于九龙江口沉积物的研究方法,对杭州湾入海口沉积物进行初步研究发现,其主要促氮循环微生物群落结构组成特征明显不同于九龙江口生态系统；与土著植物海三棱薦草和光滩沉积物相比,杭州湾入海口互花米草入侵并没有改变氨氧化细菌群落结构,也没有对反硝化菌群落结构产生明显影响。综上所述,本研究探讨了互花米草入侵对不同地区河口生态系统氮素循环微生物多样性的影响及其差异问题,表明互花米草入侵对九龙江入海口生态系统主要促氮微生物群落组成与含量产生了明显的影响,但对杭州湾入海口沉积物主要相关微生物群落组成结构并未产生明显影响,这将为进一步研究外来植物互花米草入侵所产生的生态影响提供科学依据。