珊瑚礁生态系统厌氧氨氧化菌的生态分布及对氮循环的贡献

Anaerobic ammonium oxidation (anammox) is a microbial oxidation process of ammonium, with nitrite as the election acceptor and dinitrogen gas as the main product. The wide distribution of anammox bacteria in natural environments has been greatly modified the traditional view of biogeochemical cycling of nitrogen and influenced the understanding of biological energy source. The studies on anammox become the hotspots of marine environmental microbial research. This project examines for the first time the dynamics distributions of anammox bacteria and its contribution to nitrogen loss in coral reef ecosystem. Molecular methods such as the massively parallel pyrosequencing technique will be applied to study the community composition and biodiversity of anammox bacteria. Quantitative PCR method will be adopted to study the characteristics of anammox related function gene abundance and expression. 15N isotope tracing experiments will be conducted to obtain data on anammox activity and its contribution to nitrogen loss. Multivariate statistical analysis will be performed to explore the ecological characteristics and coping strategies of coral anammox bacteria response to costal envrionment affected by anthropogenic nitrogen input. Our works will fill in the knowledge gaps of anammox process in coral reef ecosystem and provide scientific basis for the further understanding of nitrogen cycle in coral reef ecosystem.

细菌厌氧氨氧化的发现不仅改变了生物代谢与物质循环的经典理论，而且深刻影响了对生物能量来源的认识，成为海洋环境微生物研究的热点。本项目首次研究珊瑚生态系统中厌氧氨氧化菌的生态分布及对氮循环的贡献。利用厌氧氨氧化菌特有基因的高通量测序技术，分析珊瑚共附生厌氧氨氧化菌的群落结构变化特征，利用荧光定量PCR（qPCR）研究厌氧氨氧化菌的丰度及功能基因表达特征，利用稳定15N同位素技术研究珊瑚生态系统中厌氧氨氧化和反硝化的比重，通过对比分析人类活动程度不同的海湾岸礁和大洋型珊瑚岛礁生态系统中厌氧氨氧化菌的生态分布及对氮循环的贡献，探讨珊瑚礁生态系统中厌氧氨氧化菌、厌氧氨氧化活性和环境三者之间的关系，探明珊瑚适应我国近岸高浓度活性氮环境的微生物氮循环调节机制。本项目的研究结果将填补珊瑚礁生态系统在这一领域研究的空白，丰富珊瑚礁生态系统微生物氮循环理论，为深入理解珊瑚礁生态系统氮素循环过程提供科学依据。

在近岸珊瑚礁生态系统中，人类活动引起的富营养化加剧了气候变化对珊瑚礁生态系统的胁迫，导致近岸珊瑚礁大面积衰退。本项目利用高通量测序、微生物功能基因芯片和稳定15N同位素示踪技术，研究珊瑚共生体氮循环功能微生物群落结构、富营养化对珊瑚生理生化的影响、珊瑚共附生微生物对富营养化的响应及在珊瑚共生体中发挥的作用。结果显示珊瑚共附生氮循环功能基因具有较高的多样性，其群落结构具有季节和地域差异，水体富营养化会对珊瑚幼虫及成体产生影响，但短时间的无机氮营养盐升高并不会导致珊瑚的快速死亡。而水体无机氮营养盐升高会导致珊瑚共附生微生物群落结构显著变化，微生物多样性增加，潜在致病菌和机会主义细菌丰度增加，而珊瑚核心微生物丰度降低，同时核心微生物共发生网络的复杂性降低。珊瑚共生体对环境中的溶解无机氮具有富集效应，珊瑚共生体内的硝化过程对水体中高浓度铵盐具有负反馈效应，促进铵态氮转化为硝态氮以降低铵盐浓度，同时微生物参与无机氮去除过程，珊瑚共生体存在微生物的厌氧氨氧化和反硝化活性，脱氮效率具有明显的昼夜差异，且反硝化和厌氧氨氧化对珊瑚共生体脱氮的贡献之比接近 10：1。通过本项目的研究揭示珊瑚共附生微生物在共生体氮循环中起重要作用，珊瑚共生体关键微生物群落可以作为环境中无机氮营养盐变化的指示因子用于近岸珊瑚礁生态系统监测和保护。