厌氧氨氧化（ANAMMOX）细菌对东印度洋孟加拉湾氮释放贡献的分子生态学研究

Release of nitrogen gas from open oceans is a significant biogeochemical process within marine nitrogen cycle. During this important process, two pathways are in charge: Anaerobic Ammonium Oxidation (ANAMMOX) and denitrification, among which, ANAMMOX bacteria played important role in marine ecosystem. In this study, benefiting from Open Science Expedition research cruises for the East Indian Ocean supported by the National Natural Science Foundation, samples will be collected around the equatorial region and the Bay of Bengal in East India Ocean for molecular studies based on RNA and DNA. The functional genes, hzo, hzs and ScnirS that coding for ANAMMOX bacteria will be targeted for clone library construction, RT-q-PCR, Fluorescence in situ hybridization (FISH) and denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) analysis at DNA/cDNA level. The diversity, distribution as well as the gene expression level of these functional genes in the East India Ocean will be defined. Further, correlations of population dynamics and gene expression with corresponding environmental factors will be evaluated. This proposed research will shed light on the roles of ANAMMOX in the nitrogen cycle of the East India Ocean and improve our understanding of their responses to the environmental variations under global climate change.

气态氮是海洋氮循环中一个重要输出过程，这一生物地球化学路径主要是由厌氧氨氧化（ANAMMOX）和反硝化细菌来完成。其中，ANAMMOX被发现起着尤为关键的作用。本研究拟以东印度洋赤道及典型低氧区域-孟加拉湾的垂直分层水样和沉积物柱状样为研究对象，以ANAMMOX细菌的功能基因：hzo，hzs, ScnirS为目的片段，通过构建DNA和RNA水平的克隆文库、荧光实时定量、荧光原位杂交、变性梯度凝胶电泳等分析手段，以确定ANAMMOX细菌在东印度洋区域的多样性、时空分布和基因表达情况；同时结合生物地球化学参数，分析东印度洋ANAMMOX细菌的物种组成、种群分布和基因表达对环境因子的生态学响应是如何的。本项目以期为阐述东印度洋ANAMMOX细菌在区域和全球尺度下对氮循环中N2释放的作用提供基础数据，同时为更好解答全球变化下海洋生态系统的响应及反馈提供理论和科学依据。

海洋是地球上重要的氮汇，在全球氮循环中起着非常重要的作用。最新的预测显示海洋中的固氮速率为每年100Tg N，占全球固氮总量的50%。为了达到全球氮循环平衡，氮气从海洋返回大气的过程至关重要。厌氧氨氧化(Anammox)过程能够在无氧或者低氧条件下将铵和亚硝氮直接转化为氮气，且在自然环境中广泛分布，对于海洋和底泥沉积物氮输出的贡献非常显著。因此研究Anammox在海洋氮循环过程的贡献是十分必要的。印度洋作为世界第三大洋，海域面积占全球总面积的20%，对于全球的气候调节以及碳、氮等重要营养元素的循环起着不可忽视的作用。在印度洋，阿拉伯海和孟加拉湾都是典型的低氧区。由于缺少西海岸输送有机物质，孟加拉湾的低氧程度不及世界三大低氧区域之一的阿拉伯海。因此，本项目拟研究东印度洋孟加拉湾和赤道区域海水和沉积物中Anammox细菌的时空分布特征，并且揭示东印度洋氮循环的关键步骤，探索这些关键微生物对东印度洋氮循环的贡献。.本研究通过克隆文库，定量PCR等手段，揭示了在东印度洋孟加拉湾以及赤道的沉积物中广泛存在氨氧化细菌，氨氧化古菌，Anammox细菌及反硝化细菌，并且在孟加拉湾的低氧区，Anammox和反硝化细菌具有更高的多样性；Anammox细菌的拷贝数在低氧区也显著高于其他区域，这表明在孟加拉湾低氧区Anammox细菌对氮释放存在重要贡献。本研究同时发现，在孟加拉湾和东印度洋的水体中，也广泛存在Anammox细菌，但并未发现氨氧化细菌，水体中广泛且大量存在的氨氧化古菌是参与氨氧化过程的主力军，这可能由东印度洋的寡营养特性所决定。群落结构与环境因子的相关性分析也表明，溶解氧，铵盐和硝酸盐对Anammox细菌的分布具有决定作用。本项目的研究结果为东印度洋孟加拉湾和赤道低氧区域的微生物氮循环过程提供了重要的理论依据，对于深刻理解大洋及低氧区的氮释放及全球氮收支平衡具有重要的贡献。