富营养化湖泊沉积物氨氧化过程中古菌与细菌的相对贡献及其环境调控研究

过量的氮是引起湖泊富营养化的重要原因。沉积物作为湖泊氮素的"源"和"汇"，其中的氮循环过程对于湖泊氮平衡具有重要意义。氨氧化是硝化的关键限速步骤，传统上认为仅由细菌催化。氨氧化古菌的发现是近年来硝化研究中的重要进展之一，但是，目前尚不清楚富营养化湖泊沉积物中古菌氨氧化和细菌氨氧化的相对意义及调控规律。本研究以典型富营养化湖泊太湖为研究对象，综合采用环境化学、分子生物学、多元统计学的研究方法，在筛选高效选择性抑制剂的基础上，结合面上调查和实验室模拟，对太湖沉积物的氨氧化过程进行深入分析，重点考察古菌和细菌氨氧化活性的时空变化规律，以及它们对环境条件的响应，旨在阐明以下重要科学问题：(1)富营养化湖泊沉积物硝化过程中古菌氨氧化和细菌氨氧化的相对贡献如何？(2)古菌、细菌氨氧化的环境调控规律如何？本研究将增加对富营养化湖泊氮循环的认识，加深对湖泊生态过程的理解，发展湖泊科学。

微生物自养氨氧化是富营养化湖泊氮循环的关键环节之一，但目前对沉积物中细菌和古菌的氨氧化活性及环境调控原理还所知不多。本项目主要采用DNA-稳定同位素探针（DNA-SIP）方法研究了太湖表层沉积物中氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的自养活性及其温度调控规律，发现在4-37°C范围内，伴随着硝态氮积累，AOB活跃同化13C-无机碳；沿此温度梯度，优势种群逐渐由Nitrosomonas sp. Is79A3类群过渡到N. communis类群，体现出明显的生态位分离现象。仅在37°C下观察到AOA的无机碳同化现象，主要活性物种属于Nitrososphaera （CG I.1b）。这些结果表明在原位温度范围（4-25°C），氨氧化细菌具有较高的自养生长速率，可能是富营养化湖泊底泥硝化活性的主要贡献者，而氨氧化古菌对硝化过程的贡献有待于进一步研究。研究还发现长期施化肥导致太湖流域典型农田湿地土壤中AOB数量增加及组成变化，而AOA群落则较为稳定，提示施肥对湿地土壤氨氧化微生物中调控作用。此外，本项目在氨氧化微生物研究方法学上进行了深入的探讨，发展了18O-H2O-SIP方法，发现18O重水可以有效标记土壤细菌DNA，其敏感性高于常规群落分析，提示该方法可以用于环境样品氨氧化微生物活性分析；评价了羟胺氧化还原酶自杀抑制剂对氨氧化微生物的抑制作用，发现有机肼是潜在的细菌硝化抑制剂。这些成果，加深了对富营养化湖泊沉积物中氨氧化微生物的活性及其环境调控规律的理解，也为进一步阐明氨氧化细菌和氨氧化古菌的生态意义提供了方法学参考，并对认识富营养化湖泊的氮循环规律具有一定的理论价值。