河口潮滩湿地沉积物反硝化过程及其功能微生物菌群动态研究

论文摘要

河口潮滩作为海陆交互作用的关键过渡地带,是一个复杂的多功能生态系统。近几十年,由于燃料燃烧、氮肥过度施用等人类活动的影响,导致人为活性氮输入不断增加。其中大部分的氮素最终都通过河流、地下水、大气沉降等方式输入到河口近岸地区,对该区域生态环境造成了严重的威胁,因此河口潮滩氮素的削减途径备受国内外学者的关注。反硝化作用通过反硝化微生物产生一系列还原酶催化硝态氮转化为氮气,是最主要且有效的氮素削减途径,但其微生物驱动机制还不甚清楚。此外,河口潮滩在潮流和径流的交互影响下,其物理、化学和生物作用耦合多变,反硝化微生物对河口潮滩复杂环境变化的响应,以及反硝化过程中产生的温室气体氧化亚氮所带来的次生环境问题均是当前学者关注的热点。中国海岸线漫长,是河口最丰富的国家之一,从南至北跨越多个温度带。而且位于东海入海处的长江口是世界级大河河口,发育了广阔的潮滩湿地,是从区域尺度探讨全球变化背景下区域响应的典型地区。基于此,本研究利用15N同位素示踪技术和分子生物学方法,探讨了中国11个不同纬度河口潮滩湿地沉积物反硝化过程及其相关功能微生物菌群组成、多样性和丰度等的时空变异特征,并进一步以发育完善的长江口潮滩湿地为典型研究区,深入认识了反硝化过程及其功能微生物菌群动态对河口复杂环境变化（盐度、潮汐作用等）的响应,主要研究结果如下:（1）中国典型河口潮滩湿地沉积物中反硝化细菌群落结构具有显著的纬度空间差异性,可能由于不同纬度地区气候及沉积物结构的不同。但反硝化菌群结构无显著的季节差异性,说明同一纬度区域反硝化细菌组成相对稳定。系统发育分析表明,本研究获得的几乎所有反硝化细菌nirS基因均与NCBI数据库中已提交的多种水生环境生态系统的基因具有最大的系统发育相似性,主要包括海洋及河口环境沉积物,这说明中国河口潮滩湿地系统反硝化细菌基本源于沿海生态系统而非陆地。PCoA、CCA和相关性分析结果显示,反硝化菌群丰度、组成、结构和活性均与温度相关,预示着温度可能是影响我国不同纬度河口潮滩湿地反硝化微生物菌群动态的重要因素之一。研究区内沉积物反硝化细菌nirS基因丰度和潜在反硝化速率分别介于4.3×105-3.7×107 copies g-1和20.88-182.04μmol N kg-1d-1范围内,且两者具有显著的正相关关系。对比研究表明,反硝化速率显著高于厌氧氨氧化和硝酸盐异化还原成铵速率,说明反硝化是中国河口近岸潮滩湿地沉积物硝态氮削减的主导途径。此外,据估算研究表明中国河口近岸潮滩湿地表层沉积物每年可通过反硝化过程去除大约4.70×105t的氮素,约占输送到河口地区陆源总无机氮的19.5%。（2）由于长江口特殊的地理位置和特有的河口过程,各种物理、化学因素变化十分剧烈。尤其是盐度从北岸到南岸具有显著的时空差异（0-20‰）,导致长江口边滩湿地沉积物反硝化细菌菌群多样性和结构呈现出显著的盐度梯度差异。反硝化微生物群落组成也呈现出明显的时空分异特征,低盐度区反硝化菌群主要分布在ClustersⅢ和Ⅶ,而高盐度区反硝化菌群主要分布在ClusterⅠ。此外,低盐度区沉积物反硝化细菌nirS基因丰度(6.37×106-9.00×107 copies g-1)也显著高于高盐度区(1.01×106-7.50×106 copies g-1)。在研究区内反硝化细菌nirS基因丰度显著高于厌氧氨氧化细菌16S rRNA基因。反硝化速率具有显著的季节变化特征,夏季(41.82-67.13 nmol N g-1h-1)高于冬季(12.04-20.03 nmol N g-1h-1)。据估算结果表明,长江口边滩湿地每年通过反硝化过程去除的氮素大约为5.31×103 t。因此,长江口边滩湿地作为有效的氮素过滤器,对减少东海区域海洋生态系统活性氮的输入具有重要意义。（3）崇明东滩潮间带湿地自陆向海分为高潮滩、中潮滩和低潮滩,受潮汐作用的影响,不同潮滩位置环境和沉积物结构差异显著,这对反硝化微生物的活性和多样性可能有重要的影响。利用高通量测序的方法对长江口不同潮滩位置沉积物nirS型反硝化细菌进行了深度测序分析,测序结果表明每个文库的覆盖率高达99%以上,覆盖率明显高于之前的克隆文库测序法,更能反映环境中反硝化菌群结构。反硝化细菌的菌群分布沿潮滩不同位置具有明显的空间差异性,其中低潮滩与中潮滩和高潮滩反硝化细菌组成具有显著的差异,而中潮滩和高潮滩菌群组成无显著差异。且中潮滩与低潮滩和高潮滩之间均有较高数目的共有反硝化细菌种群,说明潮滩沉积物反硝化群落自陆向海出现逐渐分化的特征。崇明东滩不同潮滩位置沉积物潜在反硝化速率在4.86-9.22μmol N kg-1h-1范围内;潜在N2O排放速率在49.87-236.01 pmol N g-1h-1之间,且中潮滩沉积物N2O排放速率最高。但在研究区内沉积物N2O排放速率与反硝化速率无显著相关性。（4）河口潮滩湿地在潮汐作用下,滩面周期性的淹没、暴露,使潮滩沉积物发生了一系列的物理、化学和生物过程,在很大程度上决定了潮滩生源要素的分布和循环。通过模拟高（H）、中（M）、低（L）潮滩潮汐作用下不同的淹水和暴露频率,探究了潮汐作用下的干湿交替过程对潮滩不同位置沉积物反硝化及相关氮转化过程的影响机制。研究发现干湿交替过程对潮滩沉积物营养盐、有机质的迁移转化以及氮转化速率都有显著的影响。每经过一段时间的暴露,添加上覆水后沉积物反硝化和N2O排放速率基本骤增,尤其是暴露时间较长的H组,可能是由于沉积物的“Birch效应”。总体而言,H组氮转化速率低于长期浸水的L组和干湿交替频率较高的M组,说明在有上覆水覆盖的沉积物-水界面层,氮素可以通过上覆水相应地扩散到下层的沉积物中,促进沉积物氮转化过程的进行。此外,潮汐的周期性作用增强了多个氮素转化过程的相互耦合。而且随着培养时间的增长,nirS基因丰度与反硝化速率均逐渐低于之前在自然环境中的研究结果。说明在自然环境中,海陆的交互作用以及动态的潮汐运动不仅为沉积物中的反硝化细菌不断提供反应基质,而且会促进沉积物-水界面营养盐的交换,使河口潮滩湿地生态系统成为氮素削减的热区,在调节全球氮负荷中扮演着至关重要的角色。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 河口近岸潮滩湿地氮素转化过程研究进展
•     1.2.2 反硝化速率研究进展
•     1.2.3 反硝化微生物研究进展
• 2O排放与反硝化耦合关系研究进展'>    1.2.4 N₂O排放与反硝化耦合关系研究进展
•     1.2.5 反硝化速率及反硝化微生物分析方法研究进展
•   1.3 研究内容与目标
•   1.4 研究特色与创新
•   1.5 论文技术路线
•   1.6 论文主要名词中英文对照及缩写
• 第二章 实验分析方法
•   2.1 样品采集
•   2.2 沉积物理化因子分析
•   2.3 沉积物潜在反硝化和厌氧氨氧化速率的测定
•   2.4 沉积物潜在硝酸盐异化还原成铵速率的测定
•   2.5 沉积物硝化速率的检测
• 2O排放速率的测定'>  2.6 沉积物潜在N₂O排放速率的测定
•   2.7 沉积物DNA提取和nirS基因扩增
•   2.8 反硝化细菌nirS基因克隆测序及序列分析
•   2.9 反硝化细菌nirS基因高通量测序及信息分析
•   2.10 实时荧光定量PCR
•   2.11 统计分析
•     2.11.1 数据拟合和差异性分析
•     2.11.2 菌群结构与环境因子相关性分析
•   2.12 序列登录号
• 第三章 不同纬度带河口潮滩沉积物反硝化菌群动态及其活性
•   3.1 引言
•   3.2 研究区域概况
•   3.3 实验结果
•     3.3.1 沉积物理化性质
•     3.3.2 不同纬度带沉积物反硝化细菌菌群多样性
•     3.3.3 不同纬度带沉积物反硝化细菌系统发育及菌群结构
•     3.3.4 不同纬度带河口潮滩沉积物反硝化细菌丰度
•     3.3.5 不同纬度带河口潮滩沉积物反硝化速率
•     3.3.6 反硝化细菌菌群结构、丰度以及活性与环境因子相关关系
•   3.4 分析与讨论
•     3.4.1 反硝化细菌群落组成和结构对不同纬度带环境差异的响应
•     3.4.2 反硝化过程与其它硝酸盐异化还原过程关联性及其对不同纬度带环境差异的响应
•   3.5 本章小结
• 第四章 长江口边滩沉积物反硝化细菌菌群动态及其活性
•   4.1 引言
•   4.2 典型采样点特征
•   4.3 实验结果
•     4.3.1 沉积物理化性质特征
•     4.3.2 长江口边滩沉积物反硝化细菌群落多样性
•     4.3.3 长江口边滩沉积物反硝化细菌系统进化分析
•     4.3.4 长江口边滩沉积物反硝化细菌菌群分布
•     4.3.5 长江口边滩沉积物反硝化菌群结构与环境因子相关关系
•     4.3.6 长江口边滩沉积物反硝化细菌nirS基因丰度
•     4.3.7 长江口边滩沉积物反硝化速率及脱氮贡献率
•   4.4 分析与讨论
•     4.4.1 长江口边滩沉积物反硝化菌群结构对环境因子的响应
•     4.4.2 长江口边滩沉积物反硝化过程生态环境意义
•   4.5 本章小结
• 第五章 高中低潮滩环境差异对反硝化过程的影响
•   5.1 引言
•   5.2 研究区域概况
•   5.3 实验结果
•     5.3.1 沉积物理化性质
•     5.3.2 潮间带高中低潮滩反硝化细菌多样性
•     5.3.3 反硝化细菌菌群结构对高中低潮滩环境差异的响应
•     5.3.4 反硝化细菌丰度和活性对高中低潮滩环境差异的响应
• 2O排放速率对高中低潮滩环境差异的响应'>    5.3.5 N₂O排放速率对高中低潮滩环境差异的响应
• 2O排放速率与环境因子相关性'>    5.3.6 反硝化细菌菌群结构和活性以及N₂O排放速率与环境因子相关性
•   5.4 分析与讨论
•     5.4.1 反硝化过程及其功能微生物菌群动态对高中低潮滩环境差异的响应
• 2O排放速率对高中低潮滩环境差异的响应'>    5.4.2 沉积物N₂O排放速率对高中低潮滩环境差异的响应
•     5.4.3 反硝化微生物测序深度比较分析
•   5.5 本章小结
• 第六章 潮汐作用对沉积物反硝化过程影响模拟研究
•   6.1 引言
•   6.2 样品采集与实验模拟
•   6.3 结果与讨论
•     6.3.1 沉积物理化因子对潮汐作用的响应
•     6.3.2 反硝化细菌nirS基因丰度对潮汐作用的响应
•     6.3.3 反硝化过程对潮汐作用的响应
•   6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
•   7.1 主要结论
•   7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 作者简历
• 攻读学位期间参与科研项目
• 攻读学位期间科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 高娟

导师: 侯立军

关键词: 氮循环,反硝化过程,基因,氧化亚氮,潮汐作用,河口潮滩湿地

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 华东师范大学

基金: 国家自然科学基金

分类号: X52;X172

总页数: 170

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