富营养化湖泊沉积物中氨氧化菌群落结构及活性的环境响应规律及调控机理研究

本项目基于当前对富营养化湖泊沉积物中氨氧化菌（AOA和AOB）群落结构及活性认识的不足，开展以分子生物学技术和数量生态学理论为基础的研究，分析氨氧化菌在富营养化湖泊沉积物中的分布特征，探索环境因子对氨氧化菌群落结构及活性的调控规律。首先，应用实时荧光定量PCR（RT-QPCR）、变性梯度凝胶电泳（DGGE）和定量反转录PCR等分子生物学技术，开展富营养化湖泊沉积物中氨氧化菌分布的野外调查研究，得出不同环境理化条件下氨氧化菌的多样性、丰度以及活性变化特征。然后，建立室内微宇宙模拟系统，研究环境理化因子、常见沉水植物以及穴居底栖动物的种类对氨氧化菌群落结构和活性表达的影响。最后，结合多元统计分析方法阐明各种生物及非生物环境因子对氨氧化菌分布的影响及调控规律。预期成果将丰富并创新对淡水生态系统中氮循环微生物的认识，揭示环境因子对湖泊氨氧化过程的影响，为富营养化湖泊氮污染的治理奠定一定的理论基础。

本课题研究了氨氧化原核生物在太湖表层和柱状沉积物中的分布规律以及沉水植物对湖泊沉积物中AOA和AOB的丰度以及群落结构的影响。主要的研究结果包括以下几个方面：（1）太湖表层沉积物及柱状沉积物中AOA和AOB的丰度及群落结构组成。本研究分析了太湖两个湖区（梅梁湾和东太湖）表层沉积物中氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的丰度和群落组成。研究结果表明：在所有采样点中，古菌amoA的拷贝数要高于细菌amoA。另外，梅梁湾沉积物中，古菌amoA基因和细菌amoA基因的丰度，都明显高于东太湖（P < 0.05）。沉积物中pH 值、总氮（TN）、氨氮（NH4+）和有机质（OM）含量都与AOA和AOB的丰度存在显著的负相关关系（P < 0.05或P < 0.01）。潜在硝化速率（PNRs）与古菌amoA基因的数目存在显著正相关关系。古菌amoA基因在东太湖中的多样性明显高于梅梁湾，而两个湖区中细菌amoA基因的多样性相当。此外，本研究还分析了太湖一柱状沉积物中AOA和AOB的丰度和群落组成随深度的变化规律。研究结果主要包括：沉积物各深度同时存在AOA和AOB。AOA的丰度高于AOB，且两者的丰度都与沉积物深度呈负相关关系。在所有采样点中，AOA的多样性要高于AOB，且其多样性都随着深度的增加而增加。AOB系统进化树的三个cluster在不同深度克隆文库中所占的比例呈现相同的规律，而AOA序列的四个cluster在不同深度克隆文库中所占比例差异较大。（2）沉水植物对湖泊沉积物中AOA和AOB的影响。本课题研究了湖泊中常见的三种沉水植物（金鱼藻、苦草和菹草）对沉积物中AOA和AOB的丰度和群落结构的影响。主要研究结果表明：所有采样点中细菌amoA基因的丰度都小于古菌。不同样品中古菌丰度无明显差异，而细菌amoA基因丰度差异较大，金鱼藻和苦草根际沉积物中细菌amoA基因的丰度明显高于其他两个样品（P < 0.05）。不同样品中古菌和细菌amoA基因的丰度多与环境因子（pH、TN，NH4+，NO3-和OM）呈负相关关系。不同样品中古菌amoA基因的多样性无明显差异，而细菌amoA基因的多样性存在明显差异，苦草和金鱼藻根际沉积物中AOB多样性较为丰富，而菹草根际沉积物中AOB多样性非常单一。依托本课题共发表了7篇SCI论文和2篇核心期刊论文，另有发明专利和实用新型专利授权各一项。