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.     

西湖底泥中的反硝化型甲烷厌氧氧化菌的分子生物学检测

反硝化型甲烷厌氧氧化反应(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)是一种最新发现的生物反应,该反应能够偶联反硝化和甲烷的厌氧氧化.催化DAMO反应的微生物是NC10门中一种被命名为“Candidatus Methylomirabilis oxyfera”的细菌.本研究采用基因克隆文库技术考察了西湖淡水底泥中DAMO微生物的分布与种群多样性状况.16S rRNA基因系统发育分析表明,西湖底泥中存在NC10门细菌,与已知的M.oxyfera的16S rRNA基因相似度为93％～98％.DAMO微生物功能基因(pmoA)的系统发育分析进一步证实了西湖底泥中分布有此类微生物,与已知的Moxyfera的pmoA基因相似度为86％ ～ 95％.实时定量PCR结果表明,西湖底泥中DAMO微生物的16S rRNA基因的拷贝数为2.15 ×105 copies·g-1(以干重计).     

浑河底泥古菌群落结构季节性变化特征

为探究不同水期河流底泥古菌群落结构特征,选取浑河底泥为研究对象,并于2014年4月(枯水期),9月(丰水期),11月(平水期)对浑河流域进行样品采样,通过PCR-DGGE技术获得3个水期古菌的DGGE指纹图谱,并进行数据分析.结果表明,平水期的古菌多样性和种群丰度都要好于枯水期和丰水期,多样性指数均高于2.10,种群丰度均高于0.94,且上游到下游均匀度波动平缓,数值维持在0.90左右,说明平水期浑河底泥古菌群落结构变化相对稳定.聚类分析结果表明,不同水期浑河底泥古菌群落结构多样性并没有明显的地区特征,但3个水期位于城市段的采样点的古菌亲缘性较为接近.冗余梯度分析(RDA)结果表明,枯水期时水中BOD5、p H和DO是影响古菌群落的主要因素;丰水期时水中的p H和NO-3-N是影响古菌群落的主要因素;平水期时水中的TP和NO-2-N是影响古菌群落的主要因素.     

浑河底泥微生物群落的季节性变化特征

为了解河流底泥微生物群落结构的季节性变化,利用PCR-DGGE技术对丰水期、平水期、枯水期浑河底泥中的微生物进行指纹图谱分析,并对优势条带进行测序和系统发育分析. 结果表明:浑河底泥微生物群落结构存在一定的时空异质性,在空间上可分为上游抚顺市地区(1~5号采样点)、中游沈阳市地区(6~11号采样点)和下游乡镇地区(12~14号采样点);平水期、枯水期、丰水期Shannon-Wiener多样性指数分别为3.04~3.88、2.66~3.66、3.04~3.45. 抚顺市地区和沈阳市地区不同水期底泥微生物Shannon-Wiener多样性指数差异较大,而乡镇地区则无明显变化趋势;平水期和枯水期底泥微生物Shannon-Wiener多样性指数从上游至下游呈先升后降趋势,而丰水期上、下游微生物多样性差异较小. 底泥微生物中以变形菌(Proteobacteria)最多,其次是拟杆菌(Bacteroidetes)和蓝藻菌(Cyanobacteria);而平水期优势种群数量最多. 研究显示,人类活动及丰水期对底泥微生物多样性有较大影响,掌握河流底泥微生物分布有助于深入了解河流物质的代谢过程.      

稻田土壤反硝化厌氧甲烷氧化菌的时空分布与群落结构分析

由"Candidatus Methylomirabilis oxyfera"主导发生的以甲烷和亚硝酸盐为底物的反硝化厌氧甲烷氧化反应(nitrite-dependent anaerobic methane-oxidizing,n-damo)的发现,将生物地球化学碳循环和氮循环以新的方式结合起来.本研究以夏季和冬季江阴稻田土壤柱状样品为研究对象,对稻田土壤M.oxyfera-like菌的时空分布和群落结构进行了考察.M.oxyfera-like菌16S rRNA基因的定量PCR结果显示M.oxyfera-like菌的丰度随着土壤深度的增加而增加,且无明显季节性差异,60~200 cm深度的稻田土壤是M.oxyfera-like菌的高丰度区域.M.oxyfera-like菌pmo A基因的系统发育分析和生物多样性分析显示M.oxyfera-like菌的群落结构具有一定的时空异质性,且生物多样性随着土壤深度的增加而增加.这些结果都说明江阴稻田深层土壤(60~200 cm)是适宜M.oxyfera-like菌生存的生态环境.     

温榆河中硝化和反硝化基因的Real-time PCR定量

以温榆河为研究对象,采用real-time PCR研究了温榆河不同断面水样和沉积物样品中TB(总细菌)、硝化和反硝化(nosZ和narG)基因数量的变化. 水样中TB基因数量在丰水期为1.05×109~7.38×1011 copies/L,枯水期为1.06×109~2.69×1012 copies/L;氨氧化细菌(AOB)基因数量在丰水期和枯水期分别为nd(未检出)~4.11×108和nd~1.15×109 copies/L. nosZ和narG基因数量在丰水期分别为nd~2.37×108和3.61×108~1.13×1010 copies/L,枯水期分别为2.0×106~3.04×109和nd~1.39×1010copies/L. 枯水期沉积物样品中TB基因数量为1.35×109~7.32×1010 copies/g,nosZ基因数量为nd~1.06×107 copies/g,narG基因数量为1.99×107~1.02×108 copies/g. 枯水期TB基因数量略高于丰水期,枯水期水样中ρ(NH₄+-N)较高导致其AOB基因数量要远高于丰水期,nosZ和narG基因数量并没有明显的水期变化. 相关分析表明,沉积物样品中微生物基因数量与水样中微生物基因数量不相关,而是水质变化长期作用的结果. 冗余度分析表明,丰水期和枯水期水样中影响微生物基因数量的主要环境因子不同,丰水期微生物基因数量是温度、ρ(COD_Cr)、ρ(NH₄+-N)、ρ(NO₂--N)、ρ(NO₃--N)等共同作用的结果,而温度和ρ(COD_Cr)对枯水期微生物基因数量影响显著.      

厌氧氨氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌在岸边带土壤中的分布规律

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,anammox)和反硝化厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,n-damo)的发现打破了人们长久以来对生物氮、碳循环的传统认识.厌氧氨氧化细菌(anammox bacteria)和反硝化厌氧甲烷氧化细菌(n-damo bacteria)在水生态系统均有分布,并且在全球氮、碳循环中发挥重要作用.但它们在岸边带土壤中的存在和分布还不甚清楚.因此,本文对湖泊岸边带土壤中厌氧氨氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌的存在和分布进行了研究.基于厌氧氨氧化细菌hzs B基因(联氨合成酶关键基因)和M.oxyfera-like细菌16S rRNA基因的序列分析,分别证明了厌氧氨氧化细菌和M.oxyfera-like细菌在白洋淀湖泊岸边带深层土壤中的共同存在.厌氧氨氧化细菌hzs B基因定量PCR结果显示,其主要分布在地下水位附近及以下部分(40~100 cm),而在表层(0~40 cm)土壤中未被检测到.M.oxyfera-like细菌16S rRNA基因定量PCR结果显示,不同深度的土壤均有M.oxyfera-like细菌分布,并且其丰度随着土壤深度的增加而递增.这些结果说明厌氧氨氧化细菌和M.oxyfera-like细菌在湖泊岸边带深层土壤中共同存在,并且有不同的分布规律.     

阿哈水库浮游植物功能群时空分布特征及其影响因子分析

为了解贵州高原阿哈水库的浮游植物功能类群时空分布特征及其影响因素,于2012年至2013年枯水期(11月)、平水期(4月)、丰水期(7月)对浮游植物与水样进行分层采样分析.研究结果表明:浮游植物可分为23个功能群,优势功能群为B、D、J、LO、P、S1和X1,其时空分布特征表现为:枯水期、平水期与丰水期分别以B+D+P+LO、S1+LO以及S1为主,其丰度由枯水期至丰水期依次递增;优势功能群主要在15 m以下水体发生变化,营养物质分布差异及人工放闸泄水是产生该特征的主要原因;采样点大坝和库中的优势功能群季节变化大致相同,但却表现出大坝多于库中,而其丰度却低于库中的特征,水动力条件是导致这一变化的主要原因.经RDA分析得出,优势功能群丰度与水温呈正相关,与总氮、透明度、磷酸盐、硝氮呈负相关,其中水温、透明度为影响浮游植物功能群时空分布的主要因子.     

贵州百花水库浮游藻类功能群时空分布特征及影响因子分析

为了探究百花水库浮游藻类功能群时空分布特征及其环境影响因子,于2012年11月（枯水期）、2013年4月（平水期）和2013年7月（丰水期）对浮游藻类群落结构与水环境理化指标进行采样分析.基于浮游藻类功能群、综合营养状态指数、Shannon-Wiener指数、RDA（冗余分析）等方法,分析浮游藻类功能群的群落组成和时空分布特征.结果表明:①共鉴定浮游藻类7门67属58种,其可划分为21个功能群.浮游藻类丰度从枯水期→平水期→丰水期递增,分别为131.99×104、592.27×104、53 140.81×104 L-1.②根据浮游藻类丰度,B功能群小环藻（Cyclotella sp.）,J功能群栅藻（Scenedesmus sp.）、盘星藻（Pediastrum sp.）、空星藻（Coelastrum sp.）,P功能群颗粒直链藻（Melosira granulate）、鼓藻（Penium sp.）,S1功能群湖泊假鱼腥藻（Pseudanabaena limnetica）、湖丝藻（Limnothrix sp.）为优势功能群;浮游藻类功能群季节变化明显,其时空分布特征（枯水期→平水期→丰水期,下同）为P+B+J→J+P→S1.在垂直层面上,枯水期以硅藻组成的P、B功能群在各采样点底层藻类丰度达到最大,中层和底层丰度远高于表层,与P、B类群耐受低光的因素有关;平水期以绿藻组成的J功能群在各采样点15 m藻类丰度达到峰值,与J类群耐受低光的因素有关;丰水期以蓝藻组成的S1功能群在各水层表层藻类丰度达到最大,与S1适宜较高水温的因素有关.③RDA分析结果表明,WT（水温）是影响百花水库浮游藻类时空分布的主要环境因子.研究显示,根据浮游藻类绝对优势功能群（P、B、J、S1）以及不同季节生长策略（R/CR/CR→CR/R→R）可以判定百花水库处于中-富营养化状态.      

人类活动对三峡消落带土壤亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化菌群落的影响

由"Candidatus Methylomirabilis oxyfera(M.oxyfera)"主导的亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化过程(nitrite-dependent anaerobic methane-oxidizing,ndamo)是碳循环中新发现的一个过程.已有研究发现三峡库区消落带有n-damo菌的存在.为了解人类活动对n-damo菌群落结构的影响,对三峡库区受人类活动干扰程度不同的消落带n-damo菌群落进行了研究.结果表明,人为干扰水平高的小河消落带n-damo菌基因丰度(8.98×102~3.31×105copies·g~(-1))整体上要高于白家溪(4.72×102~5.32×104copies·g~(-1)).此外,淹水都会导致两个地点n-damo菌基因丰度的增加.白家溪的n-damo菌丰度与累积淹水时间呈线性正相关,而小河的n-damo菌丰度与土壤总氮显著负相关.系统发育树和多样性分析表明,淹水前白家溪和小河相近高程土壤n-damo菌群落结构比较类似,但淹水后出现较大差异;较低高程土壤的群落多样性要明显高于较高高程土壤.消落带土壤中的n-damo菌群落具有明显的时空异质性,且淹水会导致这种异质性增加.淹水和人类活动对于n-damo菌的多样性具有同等的重要性.这些结果表明,淹水和人类活动都会影响消落带土壤中n-damo菌群落结构,而人类活动可能进一步增加n-damo菌的丰度和多样性.     

Do land utilization patterns affect methanotrophic communities in a Chinese upland red soil?

Soil samples were collected from three plots under different land utilization patterns including degradation,farming,and restoration.The abundances of methanotrophs were quantified using real-time polymerase chain reaction(PCR)based on the pmoA and 16S rRNA genes,and the community fingerprint was analyzed using denaturing gradient gel electrophoresis(DGGE)aiming at pmoA gene.Significantly lower 16S rRNA and pmoA genes copies were found in the degradation treatment than in farming and restoration.Higher abundances of Type Ⅰ than those of Type Ⅱ methanotrophs were detected in all treatments.The treatment of farming was clearly separated from degradation and restoration according to the DGGE profile by cluster analysis.The lowest diversity indices were observed in the F(farming plot),suggesting that the community structure was strongly affected by farming activities.There were significantly positive correlations between the copy numbers of pmoA also Type Ⅱ-related 16S rRNA genes and soil available K content.Strong negative and positive correlations were found between Type Ⅰ and soil pH,and available P content,respectively.We concluded that the vegetation cover or not,soil characteristics including pH and nutrients of P and K as a result of anthropogenic disturbance may be key factors affecting methanotrophic communities in upland soil.     

Do land utilization patterns a ect methanotrophic communities in a Chinese upland red soil?

Soil samples were collected from three plots under di erent land utilization patterns including degradation, farming, and restoration. The abundances of methanotrophs were quantified using real-time polymerase chain reaction (PCR) based on the pmoA and 16S rRNA genes, and the community fingerprint was analyzed using denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) aiming at pmoA gene. Significantly lower 16S rRNA and pmoA genes copies were found in the degradation treatment than in farming and restoration. Higher abundances of Type I than those of Type II methanotrophs were detected in all treatments. The treatment of farming was clearly separated from degradation and restoration according to the DGGE profile by cluster analysis. The lowest diversity indices were observed in the F (farming plot), suggesting that the community structure was strongly a ected by farming activities. There were significantly positive correlations between the copy numbers of pmoA also Type II-related 16S rRNA genes and soil available K content. Strong negative and positive correlations were found between Type I and soil pH, and available P content, respectively. We concluded that the vegetation cover or not, soil characteristics including pH and nutrients of P and K as a result of anthropogenic disturbance may be key factors a ecting methanotrophic communities in upland soil.     

北运河沉积物中氨氧化微生物的群落特征

采用T-RFLP、RT-qPCR和克隆测序等分子生物学技术,以氨单加氧酶基因(amoA)为分子标记,研究了北运河表层沉积物中氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的群落多样性、丰度、系统发育及其与环境因子的响应关系.结果表明,沉积物中AOB的群落多样性和丰度均高于AOA,是北运河沉积物中氨氧化过程的主要功能微生物.沉积物中氨氧化微生物群落结构沿干流和支流存在明显的空间分异,而AOA的种类组成空间差异较小;沉积物的氨氮(NH4+)和硝态氮(NO3﹣+NO2﹣)是影响氨氧化微生物群落特征的主要因子,AOB对环境变化的敏感性更高;AOA和AOB的amoA基因拷贝数分别为1.32×105~1.91×106copies/g、5.39×105~8.3×106copies/g.闸坝下游沉积物的氨氧化微生物丰度最高.系统发育分析表明,amoA基因序列多属于土壤/沉积物分支,较多AOB的克隆序列与土壤亚硝化螺菌属(Nitrosospira)的类群相似性可达98%.受污水处理厂退水的影响,部分amoA基因序列与污水处理厂废水和活性污泥中发现的类群同源性高.污染物质来源、支流汇入和闸坝拦截对河流沉积物氨氧化微生物的群落特征影响显著.     

渭河流域硅藻群落特征及水生态健康评价

为比较丰水期和枯水期硅藻群落结构特征的差异性,对渭河流域进行水生态健康评价,于2012年10月(丰水期)和2013年4月(枯水期)对渭河流域60个采样点进行调查. 结果表明,丰水期共采集到硅藻221种,枯水期为148种. 多响应置换过程结果显示,渭河水系、泾河水系和北洛河水系硅藻群落存在显著性差异. 丰水期渭河水系和北洛河水系硅藻丰富度、Shannon-Wiener多样性指数和均匀度指数平均值分别为30、3.05、0.63和37、3.42、0.66,显著高于枯水期的23、2.11、0.46和23、2.52、0.56. 泾河水系丰水期和枯水期硅藻参数无显著性差异. 典范对应分析结果表明:丰水期影响渭河水系、泾河水系和北洛河水系硅藻群落结构的主要环境因子为Flux(流量)、ρ(SS)和ρ(TDS)(TDS为总溶解固体);枯水期主要影响因子分别为ρ(NH₄+)、ρ(SS)和Hard(硬度). 应用硅藻生物完整性评价法(D-IBI)和生物硅藻指数法(BDI)对渭河流域进行健康评价,其结果显示,渭河流域丰水期和枯水期整体健康状况一般,渭河水系上游及右岸支流、泾河水系源头及北洛河水系中游地区健康状况较好,渭河水系下游、泾河水系中下游以及北洛河水系上游和下游地区健康状况较差.      

受引黄影响的河流沉积物细菌群落季节变化

河流沉积物细菌群落的季节变化对碳、氮循环和水环境演化有明显的影响.然而,受调水干预的河流沉积物细菌群落季节性变化尚不明确.本文基于16S rRNA高通量测序技术,研究了中纬度地区受引黄影响的汾河上游沉积物细菌群落组成、结构和多样性的季节变化.结果表明,在引黄调水干预下受水河流细菌群落的季节性变化仍然显著.夏季温度适宜,河流沉积物细菌群落多样性较冬季高.核心菌群组成和结构随季节变化,然而丛毛单胞菌、黄杆菌、黄单胞菌和红环菌等的优势地位不随季节改变.河水水温和ORP的季节变化显著,是造成河流沉积物细菌群落季节变化的主导因子.水质较差的黄河水引入汾河后导致沉积物细菌群落多样性显著提高.引水对河流沉积物细菌群落的影响在夏季较冬季高20%左右.引黄调水对汾河沉积物细菌群落的影响大于季节变化的影响.     

浑河底泥细菌与古菌群落结构空间变化特征研究

利用变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术,考察了浑河表层底泥中细菌与古菌的多样性及群落结构变化情况.多样性结果表明,从上游至下游,底泥样品中细菌与古菌的种群结构均呈现由单一向复杂的演替趋势,且两者的Shannon多样性指数均在沈阳市下游的采样点-白塔堡河汇入浑河处分别达到其最大值3.88和2.91;而浑河底泥中细菌多样性及种群丰度均大于古菌多样性及种群丰度.群落结构的聚类分析结果表明,浑河底泥中细菌的群落结构具有明显区域特征,而古菌群落结构上下游保持稳定.冗余梯度分析(RDA)结果表明,上覆水中NO-3-N、NO-2-N、pH和Chl-a是影响细菌群落的主要因素,而NH+4-N、Chl-a、TP和NO-3-N则是影响古菌群落的主要因素.     

引黄对受水河段沉积物微生物群落的影响

人类活动可明显降低地表水体水环境质量,同时对水生态系统产生深刻的影响.本文基于16S rRNA高通量测序技术,研究了引黄调水对汾河受水河段沉积物微生物群落组成、结构和多样性的影响,探讨了引水对沉积物中微生物群落的影响机制.结果表明,黄河水的引入使汇入口处沉积物中微生物群落多样性水平升高,并带来新微生物物种硫杆菌属、厌氧绳菌属和亚硝化单胞菌属,新增菌种不仅在下游逐渐适应环境,而且通过上溯扩张使汇入口上游河段沉积物微生物群落发生改变.引黄间歇期受水河段沉积物微生物群落逐渐恢复,优势菌转化为芽孢杆菌,乳球菌的丰度相应增加,硫杆菌属消失.丛毛单胞菌在汾河受水河段沉积物环境中较为稳定,而硫杆菌、芽孢杆菌和乳球菌容易受到引黄的影响,其主要环境影响因素为水体矿物质含量及沉积物有机质、全氮、碱解氮和全钾.间歇期支流汇入使芽孢杆菌退化,丧失绝对优势地位,而蓝藻大量繁殖成为优势种.引黄期支流汇入后,硫杆菌属和厌氧绳菌属分别成为汇入点下游的优势菌和亚优势菌.