| 题名 | 湿地系统氨氧化微生物的分布及对氨氮去除的贡献 |
| 作者 | 苏瑜 |
| 答辩日期 | 2017-05 |
| 文献子类 | 硕士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 王为东 |
| 关键词 | 芦苇湿地 氨氮 Reed Wetland 氨氧化微生物 Ammonium Nitrogen 氨氧化速率 Ammonia-oxidizing Microorganisms 群落生态学 Ammonium Oxidation Rate Community Ecology |
| 其他题名 | Distribution of AOA and AOB, and Their Contributions to Ammonium Oxidation in Wetland Ecosystems |
| 学位专业 | 环境工程 |
| 英文摘要 | 湿地生态系统是生物地球化学循环的活性区域，对流域中的氮素等营养物质 具有显著的拦截、过滤和净化作用。尤其在湿地水 -土边界处，频繁的水位波动 形成“厌氧-好氧”交替的环境，水和土壤之间进行着频繁的水文、物质和能量 交换，使其具有特殊的“边界”和“梯度”效应。湿地生态系统非均一的环境为 微生物的繁殖提供了充足的养分，在此处氨氧化活性和氮损失速率都较高，成为 微生物反应的活性“热区”。 在湿地系统中，微生物对氮素的去除约占 90%，氨氧化过程作为无机氮转化 为氮气的第一步，对生态系统中氮素去除起着重要作用。氨氧化过程由氨氧化细 菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）两种生理特性不同的微生物共同催化，并且 AOA和 AOB广泛存在于各种环境中。但是目前 AOA和 AOB对氨氮去除的相 对贡献尚不明确，因此本文利用双氰胺和 1-辛炔双抑制剂的方法测得 AOA和 AOB分别的活性，剖析 AOA和 AOB在不同湿地生态系统中的作用。本文利用 包括定量 PCR、克隆文库、454高通量测序技术在内的分子生物学手段与氨氧化 微生物活性测定相结合，在湿地生态系统中不同功能区、植物床 -沟壕系统的结 构单元以及全国尺度芦苇湿地研究氨氧化微生物的分布、多样性以及对氨氮去除 的贡献，旨在阐述在湿地生态系统中微生物对氨氮去除的机理，为人工湿地的构 建和运行提供理论指导，为岸边带修复提供技术支撑。主要研究结果如下： （1）对石臼漾构筑根孔湿地运行的第三到五年（2011年-2013年）的研究 发现 AOA amoA功能基因的丰度随着湿地的演替以一个数量级趋势降低，在不 同功能区 AOA丰度变化规律不同：在预处理区和深度净化区， AOA丰度在 2011-2012年基本保持不变，在 2013年降低；在植物床-沟壕系统中，AOA丰度 随着湿地演替逐渐下降。AOA多样性随着湿地的演替，在时间上基本保持不变， 而在空间上有略微波动趋势。AOA的群落结构随着湿地的演替发生了水平迁移， 并且 AOA群落结构的生态位分离首先发生在植物床-沟壕系统，虽然在湿地沉积 物中 AOA以 Nitrososphaera属为主导，但随着湿地运行，Nitrosopumilus属和 Nitrososphaera sister属有增加的趋势。综合反映湿地水文、水质和相应功能的运 行时间是驱动 AOA丰度和群落结构生态位分离的关键因素。总之，在石臼漾湿 地运行的第三到五年，AOA丰度在时间上不断降低，空间上趋于一致；AOA多 样性在时间上略微降低，空间上呈波动趋势；AOA的群落结构从相对均一状态 向多样的群落结构演替，并且在空间上发生了明显的水平转移。 （2）基于氨氧化反应在湿地边界处的“热区”效应以及水陆交错带的生态 效应，提出对植物床-沟壕系统进行形态优化改进，并在贯泾港构筑根孔湿地中得以验证。研究结果表明，在植物床-沟壕系统中，氨氧化反应的活性区域发生 在小沟中心、植物床边界处；开沟后，氨氧化速率在植物床 -沟壕系统中由相对 均一的分布变为高异质性分布，开沟增强了氨氧化速率（从 1.07±0.30到 1.22±1.27 mg N kg-1 d-1），氨氧化速率在两个活性区域得到明显增强（在小沟中心增强 2.13 倍，在植物床边界增强 1.76倍）。AOA和 AOB在植物床-沟壕系统中占据不同的 生态位，AOA在植物床中主导氨氧化过程，AOB在小沟中主导氨氧化过程；开 沟后 AOB的活性得到显著增强，并且 AOB活性的变化是氨氧化速率提高的驱 动因子；AOB的活性变化与丰度没有显著相关关系，而开沟后 Nitrosomonas属 的富集是 AOB活性增强的主要因素。氨氧化微生物的系统发育树表明，开沟后 AOB由 Nitrosospira主导变为 Nitrosospira和 Nitrosomonas共同在植物床-沟壕 系统中占主导；开沟也改变了 AOA的群落结构。 （3）对全国尺度 21个湿地生态系统表层土壤/沉积物样品中氨氧化微生物 的分布和活性研究结果表明，AOA是全国尺度湿地生态系统氨氧化反应的主要 驱动者。在湿地生态系统中，AOA amoA功能基因丰度平均比 AOB高 1-2个数 量级（平均值分别为 9.85×10 7 copies g-1 和 4.01×10 6 copies g-1）；并且 AOA丰 度变化影响着湿地生态系统中氨氧化微生物丰度的变化， pH、有机质和总氮含 量也是影响氨氧化微生物分布的主要因子。在湿地生态系统中，AOA的多样性 高于 AOB。AOB群落结构在大部分湿地中以 Nitrosospira属为主导，在碱性较 高的湿地中以 Nitrosomonas属占主导；AOA群落结构大部分以 Nitrososphaera 属占主导，7个湿地中以 Nitrosopumilus属为主导。AOA和 AOB群落结构的聚 类受到地理位置的影响。全国尺度湿地生态系统的氨氧化微生物活性为 0.08-4.60 mg kg-1 d-1，具有很高的异质性；总氨氧化速率与 AOA和 AOB活性均呈现显著性正相关关系，说明 AOA和 AOB两种氨氧化微生物共同发挥作用，减轻湿地生态系统中氮负荷；但是在湿地生态系统中 AOA主导氨氧化过程，氨氧化速率 与 AOA活性相关性更强也说明 AOA是湿地生态系统中氨氧化反应的驱动因子。 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/38694]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_环境水质学国家重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院生态环境研究中心 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 苏瑜. 湿地系统氨氧化微生物的分布及对氨氮去除的贡献[D]. 北京. 中国科学院大学. 2017. |
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