湿地亚硝酸盐型厌氧氨氧化和厌氧甲烷氧化微生物生态学研究

【摘要】：基于亚硝酸盐为电子受体的厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)反应和厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation, N-DAMO)反应是微生物氮循环和碳循环的最新内容,它们的发现对完善全球碳氮循环具有重要意义。 目前关于ANAMMOX的研究主要集中在人工环境和海洋环境；N-DAMO的各方面研究尚处于起步阶段,自然环境中N-DAMO的研究屈指可数。湿地是地球上最重要的自然生态系统之一。本论文以不同湿地类型(包括淡水湿地和滨海湿地)作为研究对象,对ANAMMOX和N-DAMO微生物进行生态学研究,以期探明这两类微生物在湿地系统中的生态分布特征、作用强度以及在湿地碳氮循环、温室气体减排和氮素污染修复中的作用。主要研究结果如下： 1)探明了湿地系统ANAMMOX菌和N-DAMO菌的群落结构特征 ①探明了湿地系统ANAMMOX菌的群落结构特征 淡水和滨海湿地系统中存在多个属的ANAMMOX菌及多个新的分支,种群多样性水平较高。在淡水湿地系统中,Candidatus Kuenenia和Candidatus Brocadia属是优势ANAMMOX菌。在滨海湿地系统中, Candidatus Kuenenia和Candidatus Brocadia属是氮素污染严重的近岸沉积物的优势ANAMMOX菌,Candidatus Scalindua属是污染相对较弱的外海沉积物的优势ANAMMOX菌。研究发现,沉积物／土壤有机碳含量和无机氮(氨氮和硝氮)含量是影响淡水湿地系统ANAMMOX菌群落结构的主要环境因子；沉积物孔隙水或上覆水无机氮(硝氮)浓度是影响滨海湿地系统ANAMMOX菌群落结构的主要环境因子。 ②探明了湿地系统N-DAMO菌的群落结构特征 淡水湿地和滨海湿地系统中存在多个与Candidatus Methylomirabilis oxyfera亲缘关系较近的分支,种群多样性水平较高。在淡水湿地系统中,group A的N-DAMO菌(N-DAMO反应的主要功能微生物)主要分布于深层土壤,group B的N-DAMO菌主要分布于表层土壤。在滨海湿地系统中,group A的N-DAMO菌是近岸沉积物的优势N-DAMO菌,group B的N-DAMO菌是外海沉积物的优势N-DAMO菌。研究发现,沉积物/土壤无机氮(氨氮和硝氮)含量和甲烷含量是影响淡水湿地系统N-DAMO菌群落结构的主要环境因子；沉积物有机碳含量及孔隙水或上覆水无机氮(硝氮)浓度是影响滨海湿地系统N-DAMO菌群落结构的主要环境因子。 2)探明了湿地系统ANAMMOX菌和N-DAMO菌的数量分布特征 ①探明了湿地系统ANAMMOX菌的数量分布特征 淡水和滨海湿地系统中都存在相当数量的ANAMMOX菌,数量范围为105～107拷贝g-1(干重)。在淡水湿地系统中,表层土壤中ANAMMOX菌数量明显高于深层土壤中ANAMMOX菌数量；在滨海湿地系统中,近岸沉积物中ANAMMOX菌数量明显高于外海沉积物中ANAMMOX菌数量。研究发现,沉积物／土壤无机氮(氨氮和硝氮)含量和有机碳含量是影响淡水湿地系统ANAMMOX菌数量分布的主要环境因子；沉积物孔隙水或上覆水无机氮(硝氮)浓度是影响滨海湿地系统ANAMMOX菌数量分布的主要环境因子。 ②探明了湿地系统N-DAMO菌的数量分布特征 淡水和滨海湿地系统中都分布有大量的N-DAMO菌,数量范围为105～107拷贝g-1(干重)。在淡水湿地系统中,深层土壤中N-DAMO菌数量明显高于表层土壤中N-DAMO菌数量；在滨海湿地系统中,近岸沉积物中N-DAMO菌数量明显高于外海沉积物中N-DAMO菌数量。研究发现,沉积物／土壤有机碳含量和甲烷含量是影响淡水湿地系统N-DAMO菌数量分布的主要环境因子；沉积物有机碳含量及孔隙水或上覆水无机氮(硝氮)浓度是影响滨海湿地系统N-DAMO菌数量分布的主要环境因子。 3)探明了湿地系统ANAMMOX菌和N-DAMO菌的活性和相对作用强度 ①探明了湿地系统ANAMMOX菌的活性和相对作用强度 淡水和滨海湿地系统中都存在大规模的ANAMMOX反应,反应速率为2.8～89.7nmol N2g-1(干重)d-1。 ANAMMOX反应在湿地系统微生物氮循环中的贡献率为1.3%-46.7%。在淡水湿地系统中,表层土壤中ANAMMOX活性明显高于深层土壤中ANAMMOX活性；在滨海湿地系统中,近岸沉积物中ANAMMOX活性明显高于外海沉积物中ANAMMOX活性。研究发现,土壤无机氮(氨氮)含量是影响淡水湿地ANAMMOX活性分布的主要环境因子；沉积物孔隙水或上覆水无机氮(硝氮)浓度是影响滨海湿地ANAMMOX活性分布的主要环境因子。 ②探明了湿地系统N-DAMO菌的活性和相对作用强度 淡水和滨海湿地系统中同样存在大规模的N-DAMO反应,反应速率为0.1～14.5nmol CO2g-1(干重)d-1。N-DAMO反应在湿地系统微生物甲烷氧化中的贡献率为1.0%～9.5%。在淡水湿地系统中,深层土壤中N-DAMO活性明显高于表层土壤中N-DAMO活性。在滨海湿地系统中,近岸沉积物中N-DAMO活性明显高于外海沉积物中N-DAMO活性。研究发现,土壤甲烷含量是影响淡水湿地N-DAMO活性分布的主要环境因子；沉积物孔隙水或上覆水无机氮(硝氮)浓度是影响滨海湿地N-DAMO活性分布的主要环境因子。 4)评价了湿地系统ANAMMOX反应和N-DAMO反应的生态环境效应 ①评价了湿地系统ANAMMOX反应的生态环境效应 通量计算发现,淡水湿地和滨海湿地系统中由ANAMMOX反应所致的氮通量达到了24.8～116.1g Nm-2year-1,与已报道的湿地反硝化氮通量(24.0-175.0g N m-2year-1)相当,表明ANAMMOX反应是湿地微生物氮循环的重要组成部分,对湿地氮循环和平衡湿地氮的收支具有重要意义。据估计,ANAMMOX反应可去除湿地系统平均外源氮负荷的10.3%～48.1%,是湿地重要的无机氮汇,可大大减缓河流、湖泊和近海等水体环境的富营养化进程。 ②评价了湿地系统N-DAMO反应的生态环境效应 通量计算发现,淡水湿地和滨海湿地系统中由N-DAMO反应所致的氮通量为1.0～-5.4g Nm-2year-1,表明N-DAMO反应对湿地氮循环和平衡湿地氮的收支也具有一定意义。据估计,N-DAMO反应可去除湿地系统平均外源氮负荷的0.4%～2.2%,其在减缓水体环境的富营养化进程中也起着一定作用。此外,湿地系统中由N-DAMO反应所致的甲烷氧化量为0.5-2.0g CH4m2year-1.据此推算,全球湿地系统中由N-DAMO反应所致的甲烷氧化总量可达4.0～20.0TgCH4year-1,占全球湿地系统甲烷排放总量(100.0～200.0Tg CH4year-1)的2.0%～20.0%,是湿地系统中被忽视的重要的温室气体甲烷的汇。 【关键词】：湿地 厌氧氨氧化 厌氧甲烷氧化 群落结构 数量 活性 相对作用强度 生态环境效应
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X172
【目录】：

• 致谢5-6
• 序言6-7
• 摘要7-11
• Abstract11-16
• 目录16-19
• 1 引言19-42
• 1.1 湿地微生物氮素循环及其意义19-21
• 1.1.1 湿地的生态功能与分类19-20
• 1.1.2 湿地氮循环的意义与主要生物过程20-21
• 1.2 ANAMMOX与N-DAMO反应的发现及其生态学意义21-22
• 1.2.1 ANAMMOX与N-DAMO反应的发现21-22
• 1.2.2 ANAMMOX与N-DAMO反应的生态学意义22
• 1.3 ANAMMOX与N-DAMO微生物及其生化反应机理22-28
• 1.3.1 ANAMMOX微生物及其生化反应机理22-26
• 1.3.2 N-DAMO微生物及其生化反应机理26-28
• 1.4 ANAMMOX和N-DAMO微生物生态学研究现状28-39
• 1.4.1 ANAMMOX微生物生态学研究现状28-36
• 1.4.2 N-DAMO微生物生态学研究现状36-39
• 1.5 论文研究目标及基本思路39-42
• 2 淡水湿地ANAMMOX菌群落组成、多样性、数量和活性研究42-80
• 前言42
• 2.1 材料与方法42-49
• 2.1.1 取样区状况及取样点设置42-46
• 2.1.2 理化因子测定46
• 2.1.3 DNA抽提与PCR扩增46-47
• 2.1.4 克隆与测序47
• 2.1.5 定量PCR47-48
• 2.1.6 系统发育分析48
• 2.1.7 生物统计学分析48
• 2.1.8 稳定同位素活性示踪48-49
• 2.2 结果49-74
• 2.2.1 钱塘江沉积物ANAMMOX菌群落组成、多样性和数量49-54
• 2.2.2 下渚湖湿地ANAMMOX菌群落组成、多样性、数量和活性54-62
• 2.2.3 水稻田湿地ANAMMOX菌群落组成、多样性、数量和活性62-67
• 2.2.4 西溪湿地ANAMMOX菌群落组成、多样性、数量和活性67-74
• 2.3 讨论74-78
• 2.3.1 淡水湿地系统ANAMMOX菌的群落结构分析74-75
• 2.3.2 淡水湿地系统ANAMMOX菌的数量分析75-76
• 2.3.3 淡水湿地系统ANAMMOX菌的活性及其在氮循环中的作用分析76-78
• 2.4 小结78-80
• 3 淡水湿地N-DAMO菌群落组成、多样性、数量和活性研究80-112
• 3.1 材料与方法80-83
• 3.1.1 取样区状况及取样点设置80
• 3.1.2 理化因子测定80
• 3.1.3 DNA抽提与PCR扩增80-82
• 3.1.4 克隆与测序82
• 3.1.5 定量PCR82
• 3.1.6 系统发育分析82
• 3.1.7 生物统计学分析82
• 3.1.8 稳定同位素活性示踪82-83
• 3.2 结果83-106
• 3.2.1 钱塘江沉积物N-DAMO菌群落组成、多样性和数量83-88
• 3.2.2 下渚湖湿地N-DAMO菌群落组成、多样性、数量和活性88-95
• 3.2.3 水稻田湿地N-DAMO菌群落组成、多样性、数量和活性95-100
• 3.2.4 西溪湿地N-DAMO菌群落组成、多样性、数量和活性100-106
• 3.3 讨论106-110
• 3.3.1 淡水湿地N-DAMO菌的群落结构分析106-108
• 3.3.2 淡水湿地N-DAMO菌的数量分析108
• 3.3.3 淡水湿地N-DAMO菌的活性及其在甲烷氧化中的作用分析108-110
• 3.4 小结110-112
• 4 滨海湿地ANAMMOX菌群落组成、多样性、数量和活性研究112-141
• 4.1 材料与方法112-117
• 4.1.1 取样区状况及取样点设置112-116
• 4.1.2 理化因子测定116
• 4.1.3 DNA抽提与PCR扩增116
• 4.1.4 克隆与测序116
• 4.1.5 定量PCR116
• 4.1.6 系统发育分析116-117
• 4.1.7 生物统计学分析117
• 4.1.8 稳定同位素活性示踪117
• 4.2 结果117-133
• 4.2.1 椒江河口ANAMMOX菌群落组成、多样性和数量117-122
• 4.2.2 舟山海岛潮间带ANAMMOX菌群落组成、多样性、数量和活性122-128
• 4.2.3 杭州湾海域ANAMMOX菌群落组成、多样性、数量和活性128-133
• 4.3 讨论133-139
• 4.3.1 滨海湿地ANAMMOX菌的群落结构分析133-137
• 4.3.2 滨海湿地ANAMMOX菌的数量分析137
• 4.3.3 滨海湿地系统ANAMMOX菌的活性分析137-139
• 4.3.4 滨海湿地系统ANAMMOX菌在氮循环和作为无机氮汇中的作用分析139
• 4.4 小结139-141
• 5 滨海湿地N-DAMO菌群落组成、多样性、数量和活性研究141-167
• 5.1 材料与方法141-143
• 5.1.1 取样区状况及取样点设置141
• 5.1.2 理化因子测定141-142
• 5.1.3 DNA抽提与PCR扩增142
• 5.1.4 克隆与测序142
• 5.1.5 定量PCR142
• 5.1.6 系统发育分析142
• 5.1.7 生物统计学分析142
• 5.1.8 稳定同位素活性示踪142-143
• 5.2 结果143-159
• 5.2.1 椒江河口N-DAMO菌群落组成、多样性和数量143-148
• 5.2.2 舟山海岛潮间带N-DAMO菌群落组成、多样性、数量和活性148-154
• 5.2.3 杭州湾海域N-DAMO菌群落组成、多样性、数量和活性154-159
• 5.3 讨论159-166
• 5.3.1 滨海湿地系统N-DAMO菌的群落结构分析159-163
• 5.3.2 滨海湿地系统N-DAMO菌的数量分析163-164
• 5.3.3 滨海湿地系统N-DAMO菌的活性及其在甲烷氧化中的作用分析164-166
• 5.4 小结166-167
• 6 湿地ANAMMOX反应和N-DAMO反应的生态环境效应评价167-182
• 6.1 通量计算与分析167-177
• 6.1.1 淡水湿地ANAMMOX反应所致的氮气产生通量168-169
• 6.1.2 滨海湿地ANAMMOX反应所致的氮气产生通量169-171
• 6.1.3 淡水湿地N-DAMO反应所致的氮气产生通量171-172
• 6.1.4 滨海湿地N-DAMO反应所致的氮气产生通量172-174
• 6.1.5 淡水湿地N-DAMO反应所致的甲烷氧化量174-175
• 6.1.6 滨海湿地N-DAMO反应所致的甲烷氧化量175-177
• 6.2 讨论177-180
• 6.2.1 ANAMMOX与N-DAMO在氮循环和平衡氮收支中的重要意义177-178
• 6.2.2 ANAMMOX与N-DAMO在缓解水体富营养化中的重要意义178-179
• 6.2.3 ANAMMOX与N-DAMO在控制温室气体排放中的重要意义179-180
• 6.3 结论180-182
• 7 结论与展望182-187
• 7.1 主要结论182-185
• 7.2 创新点185-186
• 7.3 不足与展望186-187
• 参考文献187-199
• 个人简历199-206
• 研究生阶段所取得的科研成果199-206
• 论文发表情况199-204
• 专利获得情况204-206
• 奖励获得情况206

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

椒南化工区排污口附近海域的底栖生物状况    刘莲,马道华

西湖底泥中厌氧氨氧化菌的分子生物学检测    沈李东;胡宝兰;郑平;钱轶超;陈婷婷;胡安辉;楼莉萍;

Biolog和PCR-DGGE技术解析椒江口沉积物微生物多样性    杜萍;刘晶晶;沈李东;胡宝兰;曾江宁;陈全震;寿鹿;廖一波;

The global nitrogen cycle:Past,present and future    James N.Galloway;

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    朱群;沈李东;胡宝兰;楼莉萍;程东庆;

市政污泥:环境效益下的隐性资源    杨伟利;

椒江口滩涂大型底栖动物群落格局与多样性    赵永强;曾江宁;高爱根;陈全震;廖一波;寿鹿;

大规模采砂对椒江河口段河床的影响及对策    陈来华;

舟山群岛不同底质潮间带夏季大型底栖动物的群落结构特征    朱四喜;周唯;章飞军;

岩礁潮间带大型底栖生物对资源增殖保护区建立的生态响应——以台州大陈岛为例    彭欣;吴洪喜;高鹏程;陈清建;仇建标;蔡景波;李磊;

太湖重污染区麦季养分输入与流失规律研究    常闻捷;边博;蔡安娟;王伟霞;姜伟立;王志良;

平潭县竹屿排污口及其邻近海域环境现状调查    林小华;

大气氮沉降研究进展    常运华;刘学军;李凯辉;吕金岭;宋韦;

大气气溶胶中有机氮和无机氮的测试方法及应用    刘随心;曹军骥;何建辉;徐红梅;郭旭;

2012年和2013年中国海洋微生物学成果分析    郑风荣;陈皓文;

温岭海岛潮间带大型底栖生物的群落结构    江海华;彭欣;肖国强;张永普;张炯明;方军;蔡景波;

蟹虾贝混养池塘生态系统微生物群落功能多样性研究    刘瑞娟;田相利;董双林;张凯;阳钢;闫法军;

典型红壤农田区大气氮沉降通量研究    崔键

三峡紫色土坡耕地小流域氮磷收支及流失风险研究    刘京

不同空间尺度区域氮素收支    遆超普

滇池流域集约化农田生态系统氮素格局与作物功能性状响应策略    夏体渊

黄海大型底栖生物多样性与群落结构的研究    张均龙

厌氧氨氧化工艺运行性能及微生物特性研究    陈婷婷

农牧交错带生态系统服务功能及区域气候对下垫面变化响应机制研究    秦立刚

三疣梭子蟹（Portunus trituberculatus）混养系统有机碳收支以及细菌生产力与代谢功能的研究    张凯

东、黄海大气沉降中营养盐的研究    朱玉梅

湖泊沉积物微生物多样性和厌氧氨氧化菌鉴别研究    张钰

胶州湾西北部海域大型底栖动物生态学研究    王振钟

大气氮沉降对白溪水库饮用水源水质影响研究    周立峰

青藏高原亚高寒草甸植物群落对氮磷添加的响应    齐瑞

厌氧氨氧化反应器内的微生物群落结构分析及菌株ZD8的脱氮特性研究    赵丹

东海中部椒江口海域与北部湾北仑河口海域大型底栖动物群落结构的比较研究    田伟

太湖流域大气湿沉降及其原位围隔实验研究    杨凡

氮沉降对杉木人工林生态系统碳库及固碳效益的影响    房焕英

华西雨屏区紫色土典型流域氮素收支平衡研究    王东

椒江口水体和生物体中典型有机污染物的浓度水平及来源初探    江锦花;朱利中;张明;

三八河河口潮滩有机碳、油类、硫化物及微生物分布特征    刘娇;孟范平;王震宇;李永富;高鹰;

西湖底泥中厌氧氨氧化菌的分子生物学检测    沈李东;胡宝兰;郑平;钱轶超;陈婷婷;胡安辉;楼莉萍;

长江河口生态系统鱼类浮游生物生态学研究进展    单秀娟,线薇薇,武云飞

辽河口沉积物中硝化细菌数量的时空变化分析    陈立广;樊景凤;关道明;赵化德;明红霞;吴利军;陈佳莹;

中国海洋微生物多样性研究    张偲;张长生;田新朋;王发左;

椒江河口生态环境质量评价    王益鸣,张凤英,许贞平,孙毅,唐静亮,刘世贤,任世军

长江口九段沙潮间带大型底栖动物季节分布特征的初步研究    安传光;赵云龙;林凌;吕敢堂;陈亚瞿;

台州湾海域水文泥沙环境及海床冲淤演变分析    麦苗;闫勇;吴以喜;

河口浮游动物生态学研究进展    杨宇峰;王庆;陈菊芳;庞世勋;