舟山海岛潮间带氮循环关键环节微生物种群多样性及其对环境变化的响应机制

The Zhoushan New Area is the first area focusing on marine economy.With the rapid developmenting of marine economy,large amount of pollutants into the coastal waters which caused severe environmental pressure in the region and destroyed the original biodiversity of the region. Intertidal ecosystem is one of region which has the most dramatic role of land and sea and the most complex ecological structure. It is also the region which has the most environmental pressure and richest pollutants type. The nitrogen cycle in intertidal zone is mainly performed by microorganisms including ammonia oxidizing archaea and bacteria, denitrifying bacteria, anaerobic ammonia oxidation and other microbial populations. As a result of pollutants entering into the intertidal zone, the original nitrogen cycle microbial population diversity and activity changed. The project intends to use the techniques of microbiology, chemistry, ecology, oceanography and multidisciplinary technology, make clear the distrubution and diversity of nitrogen cycle microorganism in intertidal zone, prove the mechanism of ecological response of different nitrogen cycle microbe on the change of the environment factor, explain the pollution condition and the influence of human activities on the ecosystem.Such a projech can provide a scientific basis for sustainable development and environmental protection of the Zhoushan Islands.

舟山群岛是首个以海洋经济为主题的国家新区，海洋经济迅速发展，大量的污染物进入近岸海域，对该区域的生境造成严重的环境压力，破坏了对该区域原有的生物多样性。潮间带生态系统是海陆作用最为剧烈、生态结构最为复杂的区域之一，同时也是环境压力最大、污染类型最为丰富的区域。潮间带的氮素循环主要由微生物参与完成，包括氨氧化细菌和古菌、反硝化细菌、厌氧氨氧化菌等微生物种群。由于染污物进入潮间带，使原有氮循环微生物种群的多样性和活性发生了改变。本项目拟采用微生物学、化学、海洋学及生态学多学科交叉的技术手段，探明舟山海岛潮间带氮循环关键环节微生物种群的分布和多样性，并用生态响应原理研究不同氮循环微生物种群与活性变化对污染环境因子变化的响应与反馈，从微生物角度阐明舟山海岛潮间带的污染情况以及人类活动对该生态系统的影响，为舟山群岛的可持续发展及环境保护提供科学依据。

舟山群岛经济的发展使潮间带接受了大量氮素污染物，改变了该区域的氮循环。参与氮循环的微生物包括氨氧化细菌和古菌、厌氧氨氧化菌、亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化和反硝化菌等类群。探明这些氮循环微生物的种群组成、多样性、数量、活性、相对贡献、时空分异及其影响因子，对了解潮间带氮损失途径、治理潮间带氮素污染有重要意义。通过研究本项目已圆满完成了计划任务，取得以下成果：1）研发了用于潮间带沉积物采样、原位生态模拟的便携装置，该装置结构简单、采样方便、样品干扰小，已应用于实际采样和沉积物柱模拟中。2）研究了氨氧化微生物在生境中的状况及影响因子，发现AOA主要由海洋簇AOA组成，而AOB主要由亚硝化螺菌组成；amoA基因数在106-108拷贝/g沉积物（干重）之间，数量与氨氧化活性变化趋势一致；主要影响因子有氨氮、总氮、温度等。3）发现舟山潮间带氨氧化微生物的时空分异特征，夏季AOA数量最低但氨氧化速率最高，冬季AOB OTU数量最多但氨氧化速率最低；AOA更适应潮下带，AOB更适应潮间带。4）采用模拟沉积物柱，发现氧气浓度对氨氧化微生物多样性、数量和相对贡献的决定作用。5）研究了舟山潮间带N-DAMO菌的群落特征、活性及影响因子，N-DAMO菌数量8.7×106-5.2×107拷贝g-1（干重），速率0.6-3.4 nmol CO2 g-1（干重）d-1。6）探明了舟山潮间带N-DAMO菌的时空分异特征，春季N-DAMO菌数量最多，反应活性最大；潮间带N-DAMO菌的活性高于潮下带，尤其是低潮带。7）研究了舟山潮间带ANAMMOX菌的群落特征、活性及影响因子，检测到Candidatus Kuenenia、Candidatus Scalindua及两个新的cluster；ANAMMOX菌数量7.2×105-4.0×106拷贝g-1（干重），活性7.7-46.9 nmol N2 g-1（干重）d-1。8）评估了舟山潮间带ANAMMOX和N-DAMO过程对氮损失的贡献，ANAMMOX和N-DAMO氮通量分别为24-129.4 g N m-2 year-1和0-13 g N m-2 year-1。9）研发了自动化控制的海洋N-DAMO菌富集培养装置，成功获得了NC10细菌主导的海洋N-DAMO富集培养物，最终N-DAMO菌活性达13.5±1.2 μmol CH4 h-1，相对丰度达70-80%。