不同植物对沟渠沉积物反硝化速率及功能基因的影响研究

植物是影响沉积物反硝化作用的重要因素之一,国内外已有不少研究探讨了植物对河口或湖泊沉积物反硝化速率的影响,但关于植物类型对自然沟渠沉积物反硝化速率及其相应功能基因的影响研究不多.因此,本文以7种常见沟渠植物为研究对象,通过室内盆栽试验,利用改进的乙炔抑制法和实时荧光定量PCR技术研究了不同植物对自然沟渠沉积物反硝化速率和相应功能基因(nirS和nirK)拷贝数的影响.结果表明,培养至第180 d时,不同植物生长条件下沉积物反硝化速率在2.85～13.20μg·m~(-2)·h~(-1)之间,不同植物间反硝化速率差异显著,且大型挺水植物浮水植物小型挺水植物.不同植物之间沉积物中nirS基因拷贝数在2.70×10~8～5.02×10~8 copies·g~(-1)之间,nirK基因拷贝数在3.97×10~5～6.91×10~5 copies·g~(-1)之间,与培养初期相比,培养180 d后沉积物中nirK、nirS基因拷贝数明显增多.7种植物中,美人蕉沉积物中的反硝化功能基因拷贝数较高,狐尾藻较低,整体来看,基因拷贝数大小顺序为:挺水植物浮水植物.nirS基因拷贝数与NO~-_3-N含量、TN含量及反硝化速率之间均呈显著性的正相关关系(p0.05),但nirK基因拷贝数与沉积物碳氮含量及反硝化速率之间相关性不显著.     

长期施用氮肥对水稻土亚硝酸还原酶基因多样性的影响

以中国科学院桃源农业生态试验站长期定位试验的土壤样品为对象,采用PCR扩增、克隆测序等分子生物学技术,研究长期施氮肥对水稻土亚硝酸还原酶基因nirK、nirS多样性的影响.序列分析结果表明,从水稻土中克隆的系列nirK基因片段与NCBI数据库中未知菌种的nirK基因相似性较高,平均达90.7%;而nirS基因片段与数据库中已知的nirS基因相似度低,平均74.7%.通过Chao1估计值预测,nirK基因在不施肥处理(CK)、施氮肥处理(N)中分别有58±13和49±9个不同的OTUs,而nirS基因在CK处理、N处理中分别有49±10和132±43个不同的OTUs.Chao1预测曲线95%置信区间(95%CIs)显示,氮肥施用显著提高了nirS基因的多样性,而对nirK基因多样性则无显著影响.LIBSHUFF分析比较N、CK处理克隆文库间的差异,结果显示nirK基因处理间群落结构差异p0.022,达到显著水平;而nirS基因处理间的群落结构无显著差异.系统发育分析显示,nirK、nirS基因的系统发育树分别可分为3个及4个大簇.施用氮肥导致nirK、nirS克隆有不同程度的聚集,说明氮肥改变了nirK和nirS基因群落结构,其中氮肥对nirK基因群落结构的影响更大.总体来说,氮肥的施用对水稻土nirK基因群落多样性无显著影响,但明显提高nirS基因群落的多样性;而长期施氮肥使含nirK基因的反硝化菌群落结构发生显著变化,对nirS基因群落结构则无显著影响.     

农业废物好氧堆肥中环境因子对nirK、nirS和nosZ数量的影响

应用定量聚合酶链式反应(real-time PCR)技术对农业废物好氧堆肥过程中参与反硝化过程的功能基因(nirK、nirS和nosZ)丰度在堆体不同位置处随时间的变化情况进行了研究.结果表明,随着堆肥进程,3种基因数量整体呈现出先升后降的变化规律,且不同位置处的反硝化基因数量之间存在着显著的差异性.使用Canoco 4.5软件对获得的反硝化功能基因丰度数据与不同时期不同层次堆体温度、pH、含水率、NH4+-N、NO3--N和水溶性有机碳(WSC)等环境因子的相关性进行冗余分析(redundancy analysis,RDA).基于手动选择的RDA分析结果表明,WSC、NH4+-N和堆体温度对反硝化基因丰度有着显著的影响(P<0.05),且前2个因子达到了极显著水平(P<0.01).应用t-value回归分析方法单独分析每种环境因子与3种基因的相关性,其中nirK与温度和pH显著正相关(P<0.05),nirS与温度显著正相关(P<0.05),nosZ与NH4+-N显著正相关(P<0.05)、与WSC显著负相关(P<0.05).     

曝气生物滤池中的亚硝酸盐积累及其影响因子

通过模型试验研究了曝气生物滤池脱氮过程中的亚硝酸盐积累现象,考察了运行条件对亚硝酸盐积累的影响.试验结果表明,曝气生物滤池在滤速1～2m/h、气水比3:1、水温20.5℃～26.5℃、进水氨氮负荷0.26～0.62kg/(m³·d)、总氮负荷0.28～0.63kg/(m³³·d)和0.18～0.42kg/(m³·d)反应器内反应液和处理水连续监测结果、反应器内含氮化合物空间分布分析以及微生物数量及活性测定结果表明,反应器中出现了明显的亚硝酸盐积累现象,表现出显著的短程硝化反硝化特征.初步分析探讨了亚硝酸盐积累的形成机理和运行条件对亚硝酸盐积累的影响,认为反冲洗过程是最主要的影响因素,而曝气生物滤池的结构特征和运行方式是其能够出现亚硝酸盐积累,并进行短程硝化反硝化脱氮的主要原因.     

一株反硝化细菌的鉴定、功能基因检测及其反硝化特性

采用富集培养和BTB(溴百里酚蓝)平板法从活性污泥中分离出一株高效的反硝化菌ADH1。结合16S rDNA系统发育分析结果和生理生化反应,将该菌鉴定为施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri),经检测该菌株中存在反硝化功能基因nirS和nosZ,并由此推知其具备完整的反硝化酶系。通过这两种功能基因的系统发育分析,从另一角度证实了菌株ADH1属于Pseudomonas sp.。反硝化特性研究结果表明,在静置条件下,该菌在16 h内对NO3--N的转化率达到96.1%,其中84.7%的NO3--N完全经反硝化作用从培养液中去除,剩余的则被菌体同化吸收;而在150 r/min的振荡培养条件下,该菌在10 h对NO3--N的转化率高达97.8%,TN去除率也超过40%。研究结果表明菌株ADH1可能是一株有着良好应用前景的高效好氧反硝化细菌。     

淮北平原典型农田土壤N2O产生途径及相关功能基因丰度研究

温室气体氧化亚氮(N₂O)已成为全球关注的焦点,全球约60%的人为N₂O排放来自农业土壤.虽然已知微生物硝化和反硝化是土壤N₂O产生的主要过程,但N₂O产生的关键生物学机制以及其调控环境变量之间的相互作用仍然难以预测.本研究选取安徽省亳州市冬、夏两季农田垂向土壤(0～200 cm)为研究对象,通过乙炔抑制法、¹⁵N-¹⁸O同位素示踪技术分别测定了N₂O产生潜势及产生途径,并利用宏基因组测序技术分析不同N₂O产生途径中功能基因的丰度变化以解析农田土壤N₂O产生的微生物机理.结果显示,在空间尺度上,表层土壤(0～20 cm)是N₂O产生热区,其N₂O产生潜势最高,为(0.364±0.048)ng·g^-1·h^-1.硝化和反硝化潜势均在表层土壤达到最高.在时间尺度上,冬季(15℃)是N₂O产...     

若尔盖花湖沉积物氨氧化与反硝化功能基因丰度垂向分布特征及其环境响应

若尔盖湿地作为中国最大的泥炭沼泽区,是生物地球化学循环的重要场所.本文以若尔盖湿地的花湖为研究对象,采集0～47 cm的沉积物样品,通过实时荧光定量PCR(qPCR)技术,探究沉积物中氨氧化(amoA)和反硝化(nirS、nirK、nosZ clade I)功能基因丰度的垂向分布特征,及其对环境因子的响应.结果表明:花湖沉积物中古菌amoA基因丰度在垂向分布上呈下降趋势,而nirS基因丰度呈上升趋势;古菌和细菌的amoA基因丰度相近,nirS基因丰度则远高于nirK基因,且氨氧化功能基因丰度整体上比反硝化功能基因低1～2个数量级.总氮(TN)、总磷(TP)、氨态氮(NH~+_4-N)、硝态氮(NO~-_3-N)和亚硝态氮(NO~-_2-N)与古菌amoA基因丰度均呈显著正相关关系(p0.05),而与nirS基因丰度呈显著负相关关系(p0.05).这两种功能基因明显受到花湖沉积物中不同形式氮素浓度的影响与限制.通过研究花湖沉积物氨氧化与反硝化功能基因的垂向分布特征及其对环境的响应,可为深入了解高原湖泊沉积物中的氮循环机理提供参考.     

太湖主要环湖河道沉积物反硝化潜力及其控制因子

河流反硝化作用是水体氮素去除的重要途径,对流域氮负荷削减具有重要意义.为探究河网区河道的反硝化脱氮能力及其主要控制因子,本研究调查了太湖14条主要环湖河道的水质和沉积物特征,通过泥浆培养实验,利用氮氩比的方法和膜接口质谱仪分析技术,测定了 14条环湖河道的沉积物反硝化潜力.结果表明,太湖环湖河道的反硝化潜力为-9.93...     

汞矿区周边农田土壤微生物群落结构特征及其环境驱动因子

为探究汞矿区周边农田土壤微生物群落结构特征及其与环境驱动因子关系,以铜仁汞（Hg）矿区周边（碧江区坝黄镇、石阡县花桥镇、江口县凯德镇和碧江区川硐镇,分别用BJ、SQ、JK和TR表示）农田土壤为研究对象,分析了土壤理化性质、Hg污染状况、酶活性以及微生物群落结构特征.采用冗余分析（RDA）和相关性网络分析了土壤微生物群落结构与环境因子互作关系.结果表明,研究区土壤存在一定程度的Hg污染,其中,JK和TR属于轻度污染,SQ和BJ属于偏中度污染;TR存在中等潜在生态风险,BJ和JK存在强潜在生态风险,SQ存在很强潜在生态风险.研究区土壤的主要细菌优势菌群包括：变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）;主要真菌优势菌群包括：子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）和被孢霉门（Mortierellomycota）.RDA分析表明,pH、蔗糖酶（SC）和过氧化氢酶（CAT）活性是土壤细菌群落结构组成的主要环境因子,pH、碱解氮（AN）、速效钾（AK）、HCl-Hg、酸性磷酸酶（ACP）和脲酶（URE）活性是土壤真菌群落结构组成的主要环境因子.相关性网络分析表明,pH、AP、HCl-Hg、SC、ACP和CAT是影响土壤Proteobacteria、Acidobacteria、Actinobacteria、Chloroflexi、厚壁菌门（Firmicutes）、棒状杆菌门（Rokubacteria）和浮霉菌门（Planctomycetes）等细菌群落结构的主要环境因子;而AK、pH、TN、AP、AN、ACP、URE和SC活性是影响土壤Ascomycota、Basidiomycota、Mortierellomycota、球囊菌门（Glomeromycota）、壶菌门（Chytridiomycota）、红藻门（Rozellomycota）、梳霉门（Kickxellomycota）和Mucoromycota （毛霉门）等真菌群落结构的主要环境因子.     

浑河底泥反硝化厌氧甲烷氧化菌群落多样性的时空分布特征及其与环境因子关系分析

为了解浑河底泥中反硝化厌氧甲烷氧化菌——Candidatus Methylomirabilis oxyfera(M.oxyfera)群落多样性的时空分布特征,通过克隆文库技术考察M.oxyfera的16S rRNA和pmo A功能基因的多样性时空分布特征,并结合多元直接梯度分析来研究环境因子(水样和底泥的理化性质)与其之间的关系.9月浑河上、中、下游底泥样品中M.oxyfera的16S rRNA基因的OTU数在2~5之间,Shannon-Wiener多样性指数变化范围为0.21~1.4,呈现出中游上游下游的分布特征.pmo A功能基因上游的OTU数和Shannon-Wiener多样性指数明显高于中游和下游,上游的Shannon-Wiener多样性指数分别是中游和下游的3.5倍和2.3倍,因此M.oxyfera的群落多样性呈现出明显的地域性分布特征.3号采样点处3月采集样品中M.oxyfera的16S rRNA和pmo A的OTU数目分别是6和5,明显高于9月对应的OTU数目,Shannon-Wiener指数也明显比9月高(1.40.68;1.570.00),因此M.oxyfera的群落多样性呈现出明显的季节分布特征.多元直接梯度分析结果表明底泥中DOC浓度、底泥电导率、水体中TOC含量和水体中亚硝酸氮浓度是影响M.oxyfera群落多样性的主要环境因子.     

艾比湖湿地盐节木根际土壤氨氧化微生物多样性和丰度及其与环境因子的相关性分析

氨氧化反应是硝化作用的关键步骤,参与这一反应的微生物是氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA).对新疆艾比湖湿地盐节木根际和非根际土壤的氨氧化微生物进行群落结构和丰度分析,并探究其与土壤理化因子的相关性.同时,以氨单加氧酶基因(amo A)为分子标记,构建克隆文库和测序并与q-PCR法结合研究AOA、AOB的群落结构和丰度,利用Pearson相关分析法探究其与环境因子的相关性.结果表明,根际土壤中AOB的多样性高于AOA,amo A基因序列多属于土壤/水体沉积物分支,AOB克隆文库中的所有序列均属于亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas).根际土壤中AOA amo A和AOB amo A的数量分别为2.09×104和2.91×105copies·g~(-1),AOB/AOA的比值为13.9;非根际土壤中AOA amo A和AOB amo A的数量分别为3.85×104和4.76×105copies·g~(-1),AOB/AOA的比值为12.36.相关分析显示,氨氧化微生物的群落结构和丰度与电导率(EC)、有机质(OM)、速效氮(AN)、氨氮(NH_4~+-N)和总氮(TN)等环境因子显著相关.这些结果表明,根际土壤中AOB的群落多样性高于AOA,根际和非根际土壤中AOB的丰度均高于AOA,说明在艾比湖湿地AOB是氨氧化微生物的优势种群,且EC、OM、AN、NH_4~+-N和TN可能会影响氨氧化微生物的群落结构和丰度.