富营养化水体沉积物的宏基因组学及聚磷菌多样性研究

磷是引发水体富营养化的关键因素。水-沉积物间的磷循环很大程度上依赖于微生物的代谢活动，聚磷菌与水-沉积物间磷的循环直接相关。多聚磷酸激酶（PPK）是聚磷过程的关键酶，研究表明ppk1基因适于研究聚磷菌的多样性。本项目以富营养化的太湖为对象，通过构建"藻华"爆发前期及爆发期沉积物样品ppk1基因的克隆文库结合定量PCR研究，明确聚磷菌的种群结构及数量变化特点，为深入了解聚磷菌在水体磷循环及富营养化中的作用机理奠定基础；利用宏基因组测序技术探索这两个样品中微生物的群落特征，结合对磷及其他理化条件的分析，探索微生物种群组成的变化与"藻华"爆发的关系。预期研究结果将有助于揭示沉积物中微生物种群的变化及代谢特点在"藻华"爆发过程中所发挥的重要作用，并从聚磷菌这一直接与磷循环相关的微生物类群出发，原创性地探索它们在调控水体富营养化进程中的生物作用，从微生物生态学的角度逐步深层次揭示水体富营养化机制。

大量研究表明磷是水体富营养化的限制性因子。沉积物微生物在水-沉积物间的磷循环过程中发挥着重要作用，聚磷菌与磷循环直接相关。本项目利用宏基因组和高通量测序技术研究了“藻华”爆发不同时期、不同营养程度位点太湖沉积物细菌群落结构变化，并通过构建ppk1基因克隆文库结合qPCR分析了聚磷菌的种群结构及数量变化与“藻华”的关系。项目在执行过程中已完成了全部研究内容。研究结果表明1）“藻华”爆发前2-3个月，沉积物中的营养物质尤其是磷大量释放进入水体，为藻类的复苏和生长繁殖提供营养，沉积物铁结合态磷（Fe-P）和NO3--N与“藻华”爆发密切相关；2）太湖沉积物中最主要细菌类群为变形菌门，还包括拟杆菌门、绿弯菌门、疣微菌门、酸杆菌门、厚壁菌门、放线菌门和蓝藻门等，但在“藻华”爆发不同时期各类群相对丰度有明显变化。在“藻华”爆发前，β-和ε-变形菌纲（重度富营养）及绿弯菌门（中度富营养）相对丰度明显升高，这3个类群在沉积物营养物质释放过程中发挥重要作用。随着“藻华”的持续发生，大量藻类死亡沉降进入沉积物，并主要在α-和γ-变形菌纲等细菌的作用下分解，释放出的营养物质再次积累在沉积物中。进一步分析发现，Thiobacillus和Sulfuricurvum分别是β-和ε-变形菌纲中的优势属，而绿弯菌门中则没有优势属。上述结果表明沉积物细菌在“藻华”爆发不同时期有明显差异，在物质循环中发挥重要作用。对于重度污染的16号位点，Thiobacillus和Sulfuricurvum可作为预测“藻华”发生的细菌类群；对于中度污染的7号位点，则应以绿弯菌门为预测类群；3）太湖沉积物Candidatus Accumulibacter类聚磷菌的数量和多样性可以反映水体的营养水平，随水体污染程度增加，聚磷菌的多样性降低但数量随“藻华”的爆发显著增加，说明聚磷菌是沉积物中磷循环的重要驱动者，并与“藻华”爆发密切关联。分离自太湖沉积物的高效聚磷菌P. stutzeri YG-24兼有异养硝化-好养反硝化的能力，成功克隆到该菌株的ppk1和nirS基因并建立了利用该菌株去除水体低浓度磷的技术。本项目通过分析沉积物中微生物种群的变化及代谢特点揭示了微生物在“藻华”爆发过程的作用，为探明水体富营养化机理及建立防治措施奠定了理论基础。已发表SCI论文5篇，获得发明专利1项。