东北沼泽湿地土壤中氨氧化微生物活性和丰度研究

为了研究东北典型沼泽湿地——三江湿地和扎龙湿地表层土壤中氨氧化微生物的活性和丰度,采用氯酸盐抑制亚硝酸盐氧化菌(Nitrite-oxidizing bacteria,NOB)和氨苄青霉素抑制氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)以及荧光定量PCR的方法,分析了生长季和非生长季氨氧化微生物的活性和丰度的关系。结果表明:在不同类型的湿地土壤中,pH值显著地影响湿地土壤中氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)的潜在氨氧化活性(Potential ammonia oxidation activity,PAO)(P0.01)。AOA的丰度值与PAO_(AOA+AOB)呈显著正相关(r=0.96,P0.05),而与PAO_(AOA)不存在相关性(P0.05)。三江湿地的毛苔草和小叶章土壤中的PAO_(AOA+AOB)、PAO_(AOA)、AOA丰度与AOB丰度,并无显著差异。研究表明植被的差异并没有影响土壤中氨氧化微生物的潜在氨氧化活性以及氨氧化微生物的丰度,但在抑制AOB活性之后毛苔草土壤中的PAO出现了显著的下降(P0.05),表明AOB在毛苔草土壤中的氨氧化过程中发挥着重要作用。     

牛粪堆肥高温期氨氧化古菌与氨氧化细菌的多样性分析

堆肥化过程中,氨氧化微生物对堆肥原料的氮素转化和氮损失影响重大。为了分析牛粪堆肥高温期微生物的多样性,研究以氨单加氧酶基因（帆胡）为标记,分析了牛粪堆肥高温阶段氨氧化古菌（Ammonia-OxidizingArchaea,AOA）和氨氧化细菌（Ammonia-OxidizingBacteria,AOB）菌群多样性。结果表明,在AOB类群中,亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）和亚硝化螺菌属（Nitrosospira）克隆子数量分别占整个克隆文库的59．3％和40．7％,它们是堆肥高温期的优势氨氧化细菌,但是Nitrosomonas的数量比Nitrosospira更占优势。在AOA群落中,soil／sediment菌群占据绝对数量优势,其克隆子数量占AOA文库的94．2％,sea／sediment菌群仅占5．8％。     

双价转基因抗虫棉花对土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌群落结构及丰度的影响

采用末端片段多态性分析(T-RFLP)和实时定量PCR(Quantitative real-time PCR,qPCR)方法,研究了不同生长时期双价转基因抗虫棉花和亲本非转基因棉花(对照)土壤氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)群落结构和丰度的变化,以探讨双价转基因抗虫棉花种植对土壤氨氧化微生物的影响。结果表明,双价转基因抗虫棉花土壤中AOB和AOA优势种群与对照相同,且随生长时期无显著变化,但在各自样品中所占比例不同。不同生长时期双价转基因抗虫棉花土壤AOB的Shannon指数和Evenness指数均与对照无显著差异,AOA的Shannon指数与对照也无显著差异,而苗期时Evenness指数显著低于对照(P0.05),其他3个生长时期差异均不显著。qPCR分析表明,除花铃期双价转基因抗虫棉花土壤AOB丰度高于对照外,其他3个生长时期均低于对照,而AOA丰度在4个生长时期均低于对照。吐絮期时,双价转基因抗虫棉花与对照土壤AOB和AOA丰度均差异显著(P0.05)。双价转基因抗虫棉花对土壤AOB和AOA群落结构组成无显著影响,但降低了AOB和AOA的数量,双价转基因抗虫棉花对土壤微生物的某些类群可能存在潜在影响。     

鸡粪菌渣好氧堆肥过程中氨氧化古菌及氨氧化细菌群落的动态变化

以amo A基因为标记,通过Real-Time PCR和限制性片段长度多态性(Restriction fragment length polymorphism,RFLP)法对鸡粪菌渣好氧堆肥过程中的氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)和氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)进行了丰度及群落结构的分析。结果表明,在堆制初期、好氧发酵高温期及后熟期,AOB的amo A基因丰度均占主导优势,是AOA的38~992倍。进入好氧发酵高温期,AOA amo A基因丰度下降至发酵前的0.9%,AOB下降至17.6%,后熟期AOA与AOB的amo A基因丰度与好氧发酵高温期相当。在上述3个阶段AOA与AOB各自存在一个绝对优势菌群,分别为Cluster 3和Nitrosomonas europaea,其中Cluster 3克隆子数目分别占整个克隆文库的70.73%、54.28%、72.45%,Nitrosomonas europaea克隆子数目分别占整个克隆文库的78.44%、93.20%、94.27%。堆肥3个阶段AOA的多样性指数变化不大,Shannon-Wiener值维持在1.53~1.60,但群落结构发生明显演替,随着堆肥温度升高,堆肥前期的一些菌群(Cluster 4、Cluster 5、Cluster 6)逐渐消失,新的菌群Cluster 1出现并成为堆肥中后期的第二大优势菌群。AOB无论是多样性指数还是群落组成,都发生剧烈的变化。AOB在堆肥前期Shannon-Wiener指数值最大(1.47),种群数最多(6个基因簇,分别为Nitrosomonas europaea Cluster,Nitrosomonas halophila Cluster,Nitrosomonas communis Cluster,Nitrosomonas nitrosa Cluster,Nitrosospira briensis Cluster,Nitrosospira multiformis Cluster);进入高温发酵期,Shannon-Wiener下降至0.45,群落结构单一,只有Nitrosomonas europaea Cluster和Nitrosomonas halophila Cluster;进入后熟期,AOB多样性及种群数得到一定程度的回升。     

生物炭与有机肥对菜田土壤氨氧化菌丰度的影响

通过土壤培育试验,运用定量PCR技术,研究了添加生物炭和有机肥对土壤氮营养及氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)丰度的影响。结果表明,土壤培育时间、有机肥显著增加硝态氮的含量(P0.001),促进硝化作用;生物炭通过抑制有机氮矿化作用降低硝化作用,106d时生物炭处理的硝态氮、可溶性总氮含量低于没有生物炭的处理(P0.05),并且中和了有机肥对矿化作用的促进效应。随着处理时间的延长,生物炭促进氨氧化菌群的丰度,AOA丰度的提高较AOB显著,且AOA丰度的变化与硝态氮含量的变化呈正相关。因此认为AOA是土壤中氨氧化作用的主要驱动力,且生物炭与有机肥主要对AOA的丰度产生影响。     

O3浓度升高对麦田土壤氨氧化细菌、氨氧化古菌和硝化细菌数量的影响

硝化作用在氮循环过程中至关重要,包括氨氧化作用和亚硝酸盐氧化作用,通过氨氧化反应和亚硝酸盐氧化反应将N素转化为植物可利用的NO3-形态。利用开顶式臭氧气室(OTCs,open-top chambers)试验平台,通过大田模拟熏气试验,结合Real-timePCR探讨大气O3浓度升高对麦田土壤氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)及硝化细菌(NOB)数量的影响。结果表明,AOB、AOA和NOB对O3胁迫的反应不一样,AOB基因拷贝数基本上随着O3浓度的升高呈现出降低的趋势,而AOA和NOB基因拷贝数随O3浓度的升高变化不明显。冬小麦拔节期,当O3浓度为40、80、120nmol·mol-1时,20～40cm土层的AOB基因拷贝数分别比对照处理降低39.8%、51.2%和59.4%。AOB和NOB基因拷贝数灌浆期多于收获期,0～10cm土层多于10～20cm。AOA基因拷贝数随季节的变化不大。O3胁迫可通过影响AOB、AOA和NOB的数量和活性来影响土壤的硝化反应,从而影响土壤的氮素循环过程。     

不同类型稻田中全程氨氧化微生物的分异特征

选用微碱性氮贫瘠的上海市崇明岛稻田和微酸性氮丰富的南京市稻田剖面(0～50 cm),比较研究稻田土壤中氨氧化微生物类群丰度的差异及其环境驱动机制,评价其与氨氧化潜力的内在关系。结果表明,崇明稻田的净硝化速率为12.82～22.30 mg/(kg·d),明显高于南京稻田[4.26～7.46 mg/(kg·d)]。崇明稻田土壤剖面的Comammox amoA基因总拷贝数(Clade A与Clade B之和)均值为1 g 8.8×10~6拷贝,是南京稻田的2.4倍,且Clade A与Clade B的比值范围为2.5～12.7,证实了Comammox存在于2种不同类型的稻田土壤中。崇明稻田和南京稻田剖面的氨氧化细菌(AOB)的amoA基因拷贝数均值分别为1 g 3.75×10~8拷贝和1.23×10~8拷贝,氨氧化古菌(AOA)的amoA基因拷贝数均值分别为1 g 2.05×10~7拷贝和0.35×10~7拷贝,这2种菌群基因拷贝数均在10.1～20.0 cm土层达到最高。回归分析发现,2个稻田中氨氧化细菌(AOB)对氨氧化潜力的贡献率达到90%～94%,而Comammox仅为3%左右,表明氨氧化细菌(AOB)在氨氧化过程中发挥主要作用。     

淹水水稻土中氨氧化古菌丰度和群落结构演替特征

采用淹水非种植水稻土微环境模式系统,对水稻土进行1 h和1、5、10、20、30、40、60 d淹水培养,利用序列分析和Realtime PCR技术分析淹水培养过程中氨氧化古菌(AOA)的丰度和群落结构变化规律。结果表明,淹水水稻土中细菌(Bac)的丰度是泉古菌(Cre)的29倍以上,而氨氧化古菌(AOA)是氨氧化细菌(AOB)的4倍之多,淹水过程改变了细菌、泉古菌、氨氧化细菌和氨氧化古菌的丰度。基于Arch-amoA基因的OTU分析显示淹水过程中AOA的群落结构发生了演替性变化:T12是r策略生存的AOA,仅存在于淹水初期;T4、T5和T9是k策略生存的AOA,存在于淹水后期;T1、T8和T16是r和k-策略共生存的AOA,它们存在于整个淹水过程中,淹水后期k-策略的AOA占据优势。淹水初期优势种群多样性指数大于淹水中、后期,PCA分析将淹水处理过程分成初期、中期和后期3类不同的生境;测序结果表明,16个优势OTU类型均属于泉古菌,且与来自不同地域的水稻土、旱地土、红壤和沉积物氨氧化古菌关系密切。     

低温条件下人工湿地氨氧化微生物的群落结构特征

为了解冬季低温条件下人工湿地沉积物的氨氧化潜力及其影响因素,以北京市汉石桥湿地自然保护区内的人工湿地为研究对象,测定了不同湿地单元沉积物的硝化潜势(PNR)及其相关功能基因的丰度。结果表明,沉积物的PNR较高,说明冬季人工湿地具有较高的硝化潜力。PNR从入水段到出水段呈现先增加后减少的趋势。通过建立硝化活性与功能微生物丰度的线性回归模型发现,氨氧化古菌(AOA,以AOA的amoA基因丰度表征)是影响硝化潜势的主要功能微生物。进一步构建硝化微生物丰度与环境因子的回归方程,发现影响AOAamoA基因丰度的主要环境因子是碳氮比(C/N),影响氨氧化细菌(AOB,以AOB的amoA基因丰度表征)丰度的主要环境因子是全氮(TN)含量。高通量测序测定人工湿地沉积物AOA和AOB的群落组成,各湿地单元检测到的AOB群落优势门为Proteobacteria,主要是β-Proteobacteria纲,AOA主要属于Crenarchaeota和Thaumarchaeota 2个门类。湿地4单元和5单元,1单元和6单元在AOB菌群群落组成上较为接近;湿地6单元、7单元、8单元在AOA菌群群落组成上较为接近。     

长期施氮对酸性紫色土氨氧化微生物群落及其硝化作用的影响

[目的]研究长期施氮对酸性紫色土壤中氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)群落特征的影响,揭示氨氧化微生物群落的驱动因子及其调控硝化作用的微生物学机制.[方法]依托四川雅安玉米体系施氮长期定位试验(始于2010年),试验处理包括5个供氮水平,即0(N0)、90(N90)、180(N180)、270(N270)和36...     

共固定化亚硝化-反硝化细菌工艺及特性研究

以亚硝化细菌、反硝化细菌为研究对象,采用共固定化细胞技术,以海藻酸钠共固定化亚硝化-反硝化细菌,研究了共固定化工艺条件及其在模拟污水中的脱氮效果。结果表明,共固定化亚硝化-反硝化细菌最佳工艺条件为4.5%海藻酸钠和2.1%氯化钙共固定化细胞,接种量为3个/m L培养基,接种于装有140 m L模拟污水液体培养液的250 m L三角瓶中,最佳p H为8,最佳培养温度30℃,110~140 r/min培养。54 h时氨氮去除率为95.95%,78 h时亚硝态氮去除率为95.82%。共固定化小球可重复使用3次、低温对共固定化后菌种脱氮性能的影响较小。     

模拟水位下降与刈割对高寒湿地土壤氨氧化与反硝化微生物的影响

湿地土壤是温室气体重要的源和汇,认识湿地生态系统氮循环过程有助于预测氮循环对未来气候变化的响应与反馈机制。为探讨硝化作用和反硝化作用对土壤水位变化和刈割的响应机制,依托于2013年在青藏高原东部若尔盖泥炭地南部湿地设置的野外实验,通过在样地周围挖掘不同深度的排水沟模拟水位下降,结合刈割处理,研究水位下降和刈割对泥炭地土壤氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)、氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和反硝化细菌(Denitrifying bacteria)丰度的影响。2014年7月取样分析结果表明:水位下降显著降低土壤含水量,水位下降与刈割均显著降低土壤呼吸;氨氧化及反硝化微生物功能基因丰度在各处理间无显著差异,但刈割及其与水位下降的交互作用显著影响AOA-amo A与AOB-amo A基因丰度比。刈割处理显著增加AOB-amo A基因相对丰度,但对AOA-amo A基因丰度无显著影响,揭示AOB可能在湿地土壤硝化过程中占主导地位。土壤nir S基因丰度显著高于nir K基因,表明nir S基因对水位下降及刈割的响应更为敏感。随着土壤水位的下降,刈割促进了由AOB主导的氨氧化过程,而反硝化微生物丰度的增加削减了氨氧化产物硝酸盐的积累,继而降低了土壤硝酸盐含量。     

呼伦贝尔沙地不同植被恢复模式土壤氨氧化细菌群落结构及多样性

采用PCR-DGGE技术和克隆测序分析方法,对不同植被恢复模式下呼伦贝尔沙地土壤氨氧化细菌群落结构、多样性及与土壤理化因子的相关性进行探讨。结果表明,5种植被恢复模式土壤氨氧化细菌16S rRNA基因Shannon指数均显著高于对照(裸地),其中柠条(Caragana korshinskii)+冰草(Agropyron cristatum)(AC)模式下Shannon指数最高,其他依次为单播柠条(UC)、单播冰草(UA)、柠条+羊柴(Hedysarum fruticosum)+冰草+披碱草(Elymus nutans)(ACHE)和单播羊柴(UH),各植被恢复模式不同程度地提高了土壤氨氧化细菌的多样性。系统发育分析结果表明,对照(裸地)土壤氨氧化细菌群落由亚硝化螺菌属的Cluster 2和Cluster 3组成,而5种植被恢复模式土壤氨氧化细菌群落由亚硝化螺菌属的Cluster 3和亚硝化单胞菌属的Cluster 6组成,植被恢复改变了土壤氨氧化细菌群落结构组成。土壤理化性质测定结果表明,5种植被恢复模式在不同程度上提高了土壤各项理化指标。典范对应分析结果表明,pH值、有机质(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)和土壤含水量(SM)对氨氧化细菌群落结构组成的影响均达到显著水平(P0.05),相关性分析发现pH值、OM、TN、TP和SM各指标之间均具有极显著相关性(P0.01),说明植被恢复过程中土壤氨氧化细菌群落结构组成的变化是土壤各项理化因子相互关联、共同作用的结果。     

硝化抑制剂的微生物抑制机理及其应用

硝化作用是导致我国农业氮肥利用率低以及地表水和地下水污染的主要原因,且对温室气体氧化亚氮(N2O)的排放具有显著影响。硝化抑制剂可通过选择性抑制土壤硝化微生物的活动,有效减缓土壤中铵态氮向硝态氮的转化,是农业生产中常用的提高氮肥利用率和减少硝化作用负面效应的一种有效管理方式。近年来,分子生态学技术的迅速发展使人们可以从分子水平上认识和研究硝化作用及抑制机理。本文综合论述了农业生产中常用的硝化抑制剂(双氰胺、3,4-甲基吡唑磷酸盐、2-氯-6-三氯甲基吡啶和乙炔等)的作用机理和特征,特别是不同抑制剂对氨氧化细菌和氨氧化古菌的影响差异,同时总结了利用硝化抑制剂(双氰胺、乙炔和烯丙基硫脲等)在硝化作用及其相关功能微生物研究中所取得的重要进展,以期为深刻认识和理解土壤硝化作用和硝化抑制剂作用机理,合理利用硝化抑制剂提供参考。     

模拟氮沉降对贝加尔针茅草原土壤氮转化微生物的影响

草地土壤是温室气体重要的源和汇,认识草地生态系统氮转化过程有助于预测氮循环对未来氮沉降增加的响应与反馈机制。依托于2010年在内蒙古贝加尔针茅草原设置的长期模拟氮沉降增加的氮添加试验,共设置了8个氮添加水平(0、15、30、50、100、150、200、300 kg N·hm~(-2)·a~(-1))。应用荧光定量PCR方法,研究氮转化功能基因丰度对不同氮添加水平的响应。2015年8月取样分析结果表明:固氮微生物(nifH)基因丰度随着氮添加水平的升高,表现为先升高后降低的趋势。低于200 kg N·hm~(-2)·a~(-1)硝酸铵处理有利于固氮菌生长。低氮添加(N15、N30和N50)对氨氧化细菌(AOB-amoA)和氨氧化古菌(AOA-amoA)基因丰度无显著影响。高氮添加(N100、N150、N200和N300)显著提高了AOB基因丰度,降低了AOA基因丰度。高氮添加(N150、N200和N300)显著降低了nirK基因丰度。随着氮添加量的增加,高氮添加促进了AOB主导的氨氧化过程,而反硝化微生物丰度的减少提高了氨氧化产物硝酸盐的积累,继而提高了土壤硝酸盐含量。     

Abundance and Community Composition of Ammonia-Oxidizers in Paddy Soil at Different Nitrogen Fertilizer Rates

Ammonia oxidation, the first and rate-limiting step of nitrification, is carried out by both ammonia-oxidizing bacteria （AOB） and ammonia-oxidizing archaea （AOA）. However, the relative importance of AOB and AOA to nitrification in terrestrial ecosystems is not well understood. The aim of this study was to investigate the effect of the nitrogen input amount on abundance and community composition of AOB and AOA in red paddy soil. Soil samples of 10-20 cm （root layer soil） and 0-5 cm （surface soil） depths were taken from a red paddy. Rice in the paddy was fertilized with different rates of N as urea of N1 （75 kg N ha＂ yr-1）, N2 （150 kg N ha~ yrl）, N3 （225 kg N ha1 yrl） and CK （without fertilizers） in 2009, 2010 and 2011. Abundance and community composition of ammonia oxidizers was analyzed by real-time PCR and denaturing gradient gel electrophoresis （DGGE） based on amoA （the unit A of ammonia monooxygenase） gene. Archaeal amoA copies in N3 and N2 were significantly （P〈0.05） higher than those in CK and N1 in root layer soil or in surface soil under tillering and heading stages of rice, while the enhancement in bacterial amoA gene copies with increasing of N fertilizer rates only took on in root layer soil. N availability and soil NO3--N content increased but soil NH4＋-N content didn＇t change with increasing of N fertilizer rates. Otherwise, the copy numbers of archaeal amoA gene were higher （P〈0.05） than those of bacterial amoA gene in root lary soil or in surface soil. Redundancy discriminate analysis based on DGGE bands showed that there were no obvious differs in composition of AOA or AOB communities in the field among different N fertilizer rates. Results of this study suggested that the abundance of ammonia-oxidizers had active response to N fertilizer rates and the response of AOA was more obvious than that of AOB. Similarity in the community composition of AOA or AOB among different N fertilizer rates indicate that the community composition of ammonia-oxidizers was relatively stable in the paddy soil at least in short term for three years.     

好氧氨氧化微生物生态学研究进展

好氧氨氧化对于水体氮平衡、土壤肥力和水体富营养化等具有重要意义。近年发现的氨氧化古菌,是除了氨氧化细菌外,驱动好氧氨氧化的微生物类群。为深入了解好氧氨氧化微生物,介绍了氨氧化细菌和氨氧化古菌的系统发育及其生态分布,概述了其环境影响因子及其对氨氧化的相对贡献。