水丝蚓扰动对湖泊沉积物中氨氧化菌及氨氧化过程的影响研究

底栖动物扰动对湖泊氮循环过程有重要影响，国内外现有研究主要关注生物扰动下沉积物-水界面氮素迁移转化的化学过程，而很少涉及其中的微生物学机理。本研究以富营养化湖泊沉积物中优势底栖动物水丝蚓及硝化过程中关键微生物类群氨氧化菌（包括氨氧化古菌和氨氧化细菌）为研究对象，首先进行野外调查研究，对太湖不同湖区沉积物垂直剖面上水丝蚓密度及潜在硝化速率进行分析，并应用多种分子生物学技术探讨氨氧化菌群落结构、丰度及活性随沉积物深度的变化规律。然后在室内构建微宇宙模拟系统，采用微电极探测不同密度水丝蚓扰动下沉积物微环境中铵浓度、氧含量等理化指标的变化，深入分析氨氧化菌群落结构和活性的响应规律，并进一步探讨不同环境因子（溶解氧、有机质、温度及pH）条件下水丝蚓扰动对氨氧化菌及氨氧化过程的影响。预期成果将从微生物学角度阐明水丝蚓扰动对湖泊沉积物中氨氧化过程的调控机制，加深对湖泊氮素生物地球化学循环过程的认识。

氮素生物地球化学循环在湖泊营养盐循环中占有重要地位。本研究以富营养化湖泊沉积物中优势底栖动物水丝蚓及硝化过程中关键微生物类群氨氧化菌（包括氨氧化古菌AOA和氨氧化细菌AOB）为研究对象，从微生物学角度阐明水丝蚓扰动对湖泊沉积物中氨氧化菌及氨氧化过程的影响。主要研究结果如下：（1）对比分析了太湖两个湖区表层沉积物中AOA和AOB群落。梅梁湾沉积物AOA和AOB丰度高于东太湖，而多样性则是东太湖沉积物中AOA和AOB多样性高于梅梁湾。水丝蚓在梅梁湾湖区的数量高于东太湖湖区。由于湖泊野外自然环境条件复杂，底栖动物水丝蚓对氨氧化菌群落的影响需要室内试验进一步探索。（2）对比研究了不同密度底栖动物（水丝蚓、河蚬）扰动对沉积物中氨氧化菌群落的影响。河蚬、水丝蚓的生物扰动行为促进了沉积物中氮素向上覆水释放。相比较，水丝蚓的促进硝化能力更明显。水丝蚓中密度处理组中细菌amoA基因丰度最高，三个密度梯度古菌amoA基因丰度区别不大。水丝蚓不同密度处理组AOA序列多样性相似；高、中密度处理组AOB序列多样性高于低密度处理组。河蚬密度越高则AOB基因丰度越低，高密度河蚬处理组AOA丰度最低。低密度河蚬处理组AOA序列多样性最高，高密度次之，而中密度培养的沉积物最低。各处理组氨氧化菌的多样性低于对照组。（3）对比研究了不同温度条件下水丝蚓、河蚬扰动对氨氧化菌群落结构及丰度的影响。温度升高促进底栖动物扰动行为，促进硝化过程，促进氮素向上覆水中的释放。水丝蚓扰动体系中，22℃、28℃条件下，硝态氮、氨氮向上覆水中有一定程度的释放。28℃时，水丝蚓对表层沉积物中氮、磷释放最强。水丝蚓处理组，22℃培养体系中AOB丰度最高，AOA丰度变化不明显。河蚬处理组，AOA和AOB丰度均在22℃最高，28℃最低。水丝蚓处理组，总体上随着培养温度升高，AOA和AOB的多样性降低，AOA多样性在22℃体系中最低。河蚬处理组，AOB群落结构多样性随温度升高而降低，AOA序列的多样性在22℃体系中最低。水丝蚓扰动体系中，Nitrosopumilus是AOA优势类群，N. oligotropha为AOB优势种群。总体上，底栖动物扰动行为降低了表层沉积物中氨氧化微生物群落多样性，使得氨氧化微生物类群变得单一。依托本课题，发表相关学术论文10篇，其中SCI论文9篇，中文核心期刊论文1篇，申请实用新型专利1项并获得了授权。