淡水池塘养殖水体氨氧化微生物对光照的应答

Ammonia nitrogen produced by freshwater pond aquaculture is the main cause of eutrophication. Recent studies have shown that Nitrospira, ammonia-oxidizing archaea (AOA) and ammonia-oxidizing bacteria (AOB) are the main microorganisms for ammonia oxidation and the light can affect the activity of ammonia oxidizing microorganisms. However, there are few reports on this research at home and abroad. This study intends to establish dominant ammonia oxidizing microorganism strains in pond water by enrichment, separation and purification. Then, selecting the representative light treatment groups by detecting ammonia nitrogen conversion rate of these dominant strains under the condition of different light color, light intensity and photoperiod. Afterwards, analyzing the different RNA and protein expressions of ammonia oxidizing microorganisms in different representative light treatment groups by molecular biological methods such as real-time PCR and iTRAQ. After that, real-time PCR and other techniques are used to detect the change of amoA gene of ammonia oxidizing microorganism and establish microbial growth curve which is used to study the effect of different illumination on the growth of ammonia oxidizing microorganisms. Finally, the mechanism of the effect of different light on the ammonia oxidizing microbial functional groups in pond water is reveled for providing the theoretical basis for the removal of ammonia nitrogen pollution.

淡水池塘养殖过程中产生的氨氮是引起水体富营养化的主要原因。最新研究表明，硝化螺菌（Nitrospira）、氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）是养殖水体中执行氨氧化功能的主要微生物。光照可影响这些氨氧化微生物的活性，但到目前国内外关于这方面的研究还未见报导。本研究拟通过富集、分离、纯化等手段建立池塘水体优势氨氧化微生物菌株。然后，检测这些优势菌株在不同光色、光强和光周期条件下的氨氮转化速率，筛选出具有代表性的光照处理组。再通过real-time PCR、iTRAQ等分子生物学方法，分析不同代表性光照处理组氨氧化微生物RNA和蛋白质组的表达差异状况；通过real-time PCR等技术，检测氨氧化微生物功能基因amoA的变化，建立微生物生长曲线，研究不同光照对氨氧化微生物菌株生长的影响。从而揭示不同光照对池塘养殖水体中氨氧化微生物功能群的影响机制，为去除池塘水体氨氮污染提供理论依据。

淡水池塘养殖过程中产生的氨氮是引起水体富营养化的主要原因。最新研究表明，氨氧化细菌（Ammonia-oxidizing bacteria，AOB）和氨氧化古菌（Ammonia-oxidizing archaea，AOA）是池塘养殖环境中的主要好氧氨氧化微生物。光照会影响AOA和AOB的氨氧化作用，但到目前为止国内外关于这方面的研究还未见报导。. 本项目的执行期为2018年1月至2020年12月，查明了AOB和AOA在池塘中的分布状况和生物多样性。池塘水体中以AOB为主，其大部分为Nitrosomonas属，池塘环境中优势AOA属于Group I.1a和Group I.1b两个类群；开展了淡水池塘AOB和AOA菌株富集、分离工作，分别获得1个池塘AOB（Nitrosomonas属）和AOA（属于Group I.1a）培养物，以这2个培养物为研究对象，开展了光照对池塘AOB和AOA氨氧化作用影响的研究。发现73 μE·m−2·s−1的白光可以抑制AOB生长，晴朗天气，淡水池塘0~40 cm深的淡水池塘养殖水体光照强度范围为0~2750 μE m-2 s-1，证实池塘透光区，光照对池塘氨氧化作用产生强烈抑制。可见光对AOB的光抑制作用主要是对氨单加氧酶（AMO）产生不可逆损伤，而不是NH2OH还原酶，从氨氧化过程代谢通路层面揭示了AOB对光照的应答机制。白光和410 nm光照可以抑制AOA氨氧化活性，意外发现440~550 nm范围内光对淡水池塘AOA培养物氨氧化作用有促进作用，促进机制有待进一步研究。完成了项目任务书既定任务。本研究，拓展了人们对淡水池塘养殖环境氮循环过程的认知，为今后调控池塘水质、实施生态工程提供了重要理论依据。