典型浅水湖泊沉积物完全氨氧化菌分布特征及环境响应机制研究

Complete ammonia oxidizers (Comammox) are new single microorganisms, owing the ability of transferring ammonia to nitrite by one step. The discovery of comammox fundamentally changed our view of "two-step nitrification". Shallow lakes are important resource of freshwater in China, but they are facing serious problems of nitrogen pollution. As a source and sink of nitrogen in lake ecosystem, sediments play an important role in maintaining nitrogen balance. Therefore, this project intends to select the large shallow lake-Taihu as study area. The objective of this project is to study spatial-temporal distribution of comammox in different ecotypes sediments of Lake Taihu by utilizing functional amoA gene as biomarker, constructing function gene clone library and using high-throughput sequencing. The metabolic activity would be measured via combining mRNA with quantification PCR method in order to estimate the role of comammox in nitrification. And isotopic tracer techniques in microcosom experiments would be applied to reveal the mechanism of comammox response to associated environmental parameters. The results of this project will enrich the research of nitrogen transfer in lake ecosystems, and provide scientific basis for the nitrogen pollution control.

完全氨氧化菌是具有独立将氨氧化成硝酸盐的新型氮素转化微生物，它的发现改变了人们对于“两步硝化”反应的认知。浅水湖泊是我国重要的淡水资源，目前正面临着严重的氮素污染问题。沉积物作为湖泊生态系统的氮“源”和“汇”，在维持氮素平衡过程中具有重要作用。因此，本项目拟选取典型浅水湖泊-太湖沉积物为研究区域，以amoA基因为分子标记物，构建功能基因文库进行高通量测序，并结合mRNA和稳定同位素示踪技术，系统分析太湖沉积物中完全氨氧化菌的时空分布特征、代谢活性，揭示湖泊沉积物中完全氨氧化菌的硝化地位，阐明完全氨氧化菌对环境因子的响应机制。项目研究成果可丰富湖泊氮转化理论研究，也可为富营养湖泊氮素治理提供新思路。

近年来，完全氨氧化菌（Comammox）的发现改变了人们对于传统两步硝化反应的认知，然而该菌在淡水湖泊中的分布以及贡献尚未清楚。本项目选取典型淡水湖泊-太湖沉积物为研究对象，对太湖春、夏、秋、冬四个季节，富营养化程度不同的五个区域（符渎湾、FDW，竺山湾、ZSW，梅梁湾、MLW，贡湖湾、GHW和胥口湾、XKW）进行柱状沉积物（0-35 cm）分析，系统解析了完全氨氧化菌菌群在时间、空间、类型三维角度上的动态分布规律，揭示了完全氨氧化菌在湖泊沉积物中的硝化贡献，探讨了Comammox对环境因子的响应机制。研究发现：.（1）完全氨氧化菌在太湖沉积物中广泛分布。通过对Comammox功能 amoA 的高通量测序分析，发现完全氨氧化菌在四个季节，五个位点，不同深度中均有分布，主要分布于系统发育树的Clade A.1, Clade A.2, Clade B三个分支中。通过定量PCR结果发现，Comammox在表层沉积物中的丰度要高于底层沉积物，且高于传统的氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌(AOA)。.（2）完全氨氧化菌在沉积物中活性高，在硝化过程中起主要作用。通过微宇宙培养结合抑制剂的方法，发现Comammox在太湖沉积物中的活性比AOA和AOB高，氨氧化速率达到0.13-3.79 mg N kg-1 d-1，其在硝化过程中的贡献为45%-91%。.（3）完全氨氧化菌受理化因子影响，氨氮是完全氨氧化菌生态位分化的主要因素。通过野外样品分析和室内富集培养，结合理化性质和宏基因组数据，发现Comammox在野外主要受氨氮、总氮、碳氮比等理化性质影响，初步探讨了Comammox对环境因子的响应机制。