河流氨氮污染的微生物响应机制

本项目针对全球河流凸现的氨氮污染问题及其对生态环境健康的威胁，以具有强氨氮自净能力的广东省重要饮用水源水东江为研究对象，运用微生物生态学、功能基因组学、环境化学和环境监测等学科优势，通过采用功能基因芯片、高通量测序、定量PCR等先进的微生物生态学研究技术，结合稳定性同位素标记、污染物分析检测和多变量统计分析等方法手段，深入研究河流氨氮污染负荷及自净过程与微生物群落结构、功能基因组成的相关性和动态变化规律，影响氨氮净化的主要因素和环境效应，阐明河流氨氮污染与脱氮功能微生物群落组成和功能基因活性的相互作用特点及关键影响因素，揭示河流氨氮污染的微生物响应机制。本项目预期获得的微生物对河流这类动态水体氨氮污染净化的作用规律和响应机制，将补充和丰富河流氮循环理论，为有效强化和加速河流氨氮污染净化速率、维护河流生态环境健康提供重要的科学理论指导。

本课题以东江为模式河流，在164.51Km东江的不同断面采集水样和沉积物，利用高通量测序、荧光定量PCR、克隆文库和多变量统计分析等方法手段，从河流水中浮游微生物和底栖微生物的层面，系统研究了东江流域微生物群落组成结构及其在氨氮转化中的作用特点，揭示河流氨氮污染的微生物响应机制；主要成果如下：.一、东江河段具有氮去除能力。.根据调查结果，东江上游至下游的水质呈明显下降趋势，新丰至惠州段采样点氮含量呈逐渐增加的梯度变化，但惠州至桥头段，氨氮降低约一半；并且下游采样点（惠州和桥头）潜在硝化率显著高于上游采样点（新丰、河源和古竹）。这些结果表明，随着氨氮污染物的逐渐加重，东江表现出较强的氮去除能力。.二、东江上下游的浮游细菌群落组成受水中氮含量的梯度变化影响，具有显著的季节和空间变化特点。.通过高通量测序技术研究了2011年东江流域枯水期和丰水期细菌群落组成，结果表明：Proteobacteria（主要是Betaproteobacteria纲）、Actinobacteria和Bacteroidetes是东江中浮游细菌类群的主要成员。在两个季节中，浮游细菌的多样性相似，但浮游细菌的组成和分布表现出显著的季节性和空间变化。统计分析表明温度和氮含量（特别是NO3--N含量）是影响东江浮游细菌群落分布的重要因素。.三、东江水体氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的主要类群是奇古菌（Thaumarchaeota）中的Group 1.1a和亚硝化螺菌属（Nitrosospira），其分布分别与水体NO3--N和总悬浮物固体（TSS）含量显著相关。水体中大部分AOB属于亚硝化螺菌属（Nitrosospira）；沉积物中可以检测到亚硝化单胞菌（Nitrosomonas）和亚硝化螺菌（Nitrosospira）相关的AOB序列。水体中AOA和AOB的群落分布分别与NO3--N和总悬浮物固体（TSS）含量显著相关。沉积物中AOA比AOB对于环境因子的变化更敏感。.四、东江中以Candidatus Jettenia相关的厌氧氨氧化细菌是优势类群，水中厌氧氨氧化细菌的丰度和多样性与NH4+-N含量显著相关，NO2--N含量则是影响沉积物中厌氧氨氧化细菌丰度的关键因素。.荧光定量分析结果表明：不同水样和沉积物样品中厌氧氨化细菌的丰度具有显著差异。基于相关和偏相关分析结果表明东江水体厌氧氨氧化