宏基因组技术研究泥岩母质发育的三种不同pH紫色土硝化微生物群落演变规律

【目的】揭示典型农田旱地紫色土硝化微生物的群落组成及其对pH的响应规律。【方法】针对同一母质发育但pH差异显著的3种紫色土,利用宏基因组技术深度测序研究土壤中硝化微生物丰度和群落,包括氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA),氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB),亚硝酸盐氧化细菌(nitrite-oxidizingbacteria,NOB)和全程氨氧化细菌(completeammoniaoxidizer,Comammox)。【结果】土壤中硝化微生物的丰度占总微生物的2.130%–6.082%。3种紫色土中AOA、AOB和NOB的相对丰度有显著差异:酸性紫色土中AOA的相对丰度显著大于碱性紫色土,而AOB则相反;NOB的相对丰度在中性紫色土中最高。所有土样中均发现了1种全程氨氧化细菌Candidatus Nitrospira inopinata (Ca. N. inopinata),其在中性紫色土中相对丰度最高,占总微生物的0.203%。3种不同pH紫色土中AOA均以Nitrososphaera为主,NOB均以Nitrospira为主;酸性紫色土中AOB以Nitroscoccus为主,而中性和石灰性紫色土中则以Nitrosospira为主。Pearson相关性分析发现,土壤pH和铵态氮是影响硝化微生物丰度最大的两个因子。【结论】Comammox存在于3种不同pH紫色土中,且偏好中性环境;AOA、AOB和NOB群落结构和相对丰度都存在显著差异,结合相关性分析发现土壤pH和铵态氮是导致差异最重要的两个因子。     

不同利用方式对红壤坡地微生物多样性和硝化势的影响

采集了中国科学院桃源农业生态试验站红壤坡地农田、自然恢复林和茶园土壤样品,采用末端限制性酶切片段长度多态性分析(T.RFLP)技术分析土壤细菌、古菌、氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的多样性,采用好气培养法测定不同土壤的硝化势,研究不同土地利用方式对微生物多样性和硝化势的影响.结果表明:土壤AOB和AOA多样性指数差异不显著,且在3种不同土地利用方式中呈现相同的趋势,均为农田=茶园>自然恢复林;通过RDA分析发现,不同利用方式造成土壤理化性状的改变是影响土壤AOA和AOB群落结构的主要原因;好气培养法测得不同土壤硝化势农田最高,茶园次之而自然恢复林最低;相关性分析显示,硝化势与细菌16S rRNA、AOA和AOB amoA基因多样性指数呈显著正相关,其中与AOA amoA基因关系最为密切;总体来说,红壤坡地不同利用方式改变了土壤细菌、古菌、AOA和AOB的多样性,土壤AOB和AOA积极参与了土壤的硝化过程,且AOA在氨氧化微生物群落生态功能中占有重要地位,AOA比AOB与硝化势的关系更为密切.     

秸秆还田对玉米根际氨氧化微生物群落及红壤硝化潜势的影响

为探讨酸性红壤根际氨氧化微生物群落以及硝化作用对不同秸秆还田处理的响应,基于中国科学院鹰潭红壤生态实验站设置的秸秆还田长期试验平台(9年),采用荧光定量PCR和高通量测序技术,研究不同秸秆还田处理(不施肥(CK);氮磷钾肥(NPK);氮磷钾肥+秸秆(NPKS);氮磷钾肥+秸秆猪粪配施(NPKSM);氮磷钾肥+秸秆生物炭(NPKB))下玉米根际土壤氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)和细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)丰度和群落结构的变化,揭示了秸秆还田对根际氨氧化微生物群落结构和硝化潜势(potential nitrification activity, PNA)的影响机制。结果发现：相比CK和NPK处理,秸秆还田显著提高了土壤养分含量和硝化潜势,其中有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、速效磷(AP)、速效钾(AK)、硝态氮(NO~-₃-N)和铵态氮(NH~+₄-N)含量显著增加,NPKSM处理对土壤肥力提升效果最佳。AOA的硝化潜势显著高于AOB,表明AOA...     

攀枝花不同海拔高度烤烟农田红壤中氨氧化细菌与氨氧化古菌的群落结构分析

为探究攀枝花干热河谷区农田土壤氨氧化古菌（Ammonia oxidizing archaea,AOA）与氨氧化细菌（Ammonia oxidizing bacteria,AOB）群落对海拔高度的响应特征,深入认识该区域的氮素循环过程。以攀枝花米易县不同海拔（1600 m、1800 m和2000 m）农田红壤为研究对象,运用化学分析和末端限制性片段长度多态性（Terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP）分别测定土壤理化性质、AOA和AOB群落组成及多样性,研究不同海拔农田土壤中AOA和AOB群落变异及其驱动因子。研究结果显示,不同海拔农田土壤pH均小于7,土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、速效钾（AK）和铵态氮（NH₄⁺-N）含量随海拔升高而降低,碱解氮（AN）、有效磷（AP）和硝态氮（NO₃^--N）含量随海拔升高先增加后降低;随海拔升高,AOA群落多样性指数增加,而AOB群落多样性指数先增加后降低;AOA以亚硝基球菌属（Nitrososphaera）为优势菌群,AOB以亚硝化螺菌属（Nitrosospira）为优势菌群;土壤有机碳（SOC）、速效钾（AK）和硝态氮（NO₃^--N）是影响该区域农田土壤AOA和AOB群落发育的主要因子。总体而言,攀枝花干热河谷区不同海拔农田土壤AOA和AOB群落结构变化明显,土壤硝态氮、速效钾和有机碳是影响AOA和AOB群落结构变异的主要因子;研究结果可为揭示干热河谷区农田红壤氮循环相关微生物的海拔分布格局提供理论依据。     

辉腾锡勒草原干涸湖泊中氨氧化微生物群落结构分析

【目的】以内蒙古辉腾锡勒草原九十九泉湿地为对象,研究湖泊干涸过程中氨氧化微生物的群落结构及其变化。【方法】通过MPN-PCR定量测定氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的数量;构建amoA基因克隆文库,进行系统发育分析;结合土壤环境因子,探讨湿地退化过程中影响氨氧化微生物的潜在因素。【结果】依湖泊湿地退水梯度的不同样点中,有75%的样点AOB的数量高于AOA,AOB与AOA的数量比率为0.3-18.1。从湖心到湖岸草原带,AOA和AOB的数量有明显增加,但生物多样性呈降低趋势,二者没有呈现正相关。研究发现,AOB的数量与土壤中NH 4+-N的变化存在良好响应。系统发育分析显示,退化湖泊湿地AOA克隆序列均来自于泉古菌门(Crenarchaeota);AOB的amoA基因的克隆序列大部分与亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)有一定同源性,较少部分与亚硝化螺菌属(Nitrosospira)有一定同源性。【结论】湖泊退水过程增加了湿地土壤氨氧化微生物的数量,而氨氧化微生物的种群丰度有所降低。AOA和AOB群落对湖泊湿地的退化过程做出了响应,其中AOB的响应较为明显,氧化条件和土壤铵浓度的改变可能是促成这种响应的重要原因。     

长期施加氮肥及氧化钙调节对酸性土壤硝化作用及氨氧化微生物的影响

以长期施加氮肥及添加氧化钙调节的酸性土壤为研究对象,运用定量PCR和DGGE技术,探讨了土壤氨氧化微生物及硝化作用对不同施肥处理及氧化钙调节的响应。长期施化学氮肥导致酸性土壤p H(KCl)值(3.35—3.47)和硝化潜势(0.02—0.14μg NO-2-N g-1土壤h-1)进一步降低,而添加Ca O后土壤酸化得以缓解(p H值4.10—4.46),土壤硝化潜势(0.22—0.34μg NO-2-N g-1土h-1)显著增加。同时,添加Ca O处理对氨氧化古菌(AOA)的群落结构无明显影响,但明显提高了各施肥处理土壤中氨氧化细菌(AOB)的群落多样性,加Ca O处理的土壤中,AOA的数量降低而AOB的数量增加。这些结果表明虽然酸性土壤中AOA在数量和活性上占主导优势,AOB在功能上冗余,但当添加Ca O后,AOA和AOB对环境变化迅速作出响应,并根据其不同的生态位需求重新分配优势地位,二者交替作用共同驱动酸性土壤硝化作用。     

亚高山/高山森林土壤有机层氨氧化细菌和氨氧化古菌丰度特征

为了解季节性冻融作用对川西亚高山/高山地区土壤氨氧化微生物群落的影响,采用qPCR技术,以氨单加氧酶基因的α亚基(amoA)为标记,在生长阶段、冻结阶段、融化阶段中的9个关键时期调查了该地区不同森林群落：岷江冷杉(Abies faxoniana)原始林(PF)、岷江冷杉(A. faxoniana)和红桦(Betula albosinensis)混交林(MF)、岷江冷杉次生林(SF)土壤有机层的氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)和氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)丰度的特征。结果表明,三个森林群落土壤有机层中都具有相当数量的氨氧化细菌和古菌,均表现出从生长阶段至冻结阶段显著降低,在冻结阶段最低,但冻结阶段后显著增加,在融化阶段为全年最高的趋势。土壤氨氧化微生物类群结构(AOA/AOB)受负积温影响明显。冻结后期三个森林群落土壤负积温最大时,AOA数量明显高于AOB,但其他关键时期土壤氨氧化微生物类群结构与群落类型密切相关。高海拔的PF群落土壤有机层表现为AOA>AOB(冻结初期除外),低海拔的SF群落中表现为AOB>AOA(冻结后期除外),而MF群落则仅在融冻期和生长季节末期表现为AOB>AOA。这些结果为认识亚高山/高山森林及其相似区域的生态过程提供了一定的科学依据。     

长期不同施肥制度对水稻土氨氧化微生物数量和群落结构的影响

由氨氧化微生物驱动的氨氧化过程是硝化作用的限速步骤,在土壤氮素循环过程中扮演着重要角色.以湖南省宁乡县长达30 a定位试验水稻土壤为研究对象,采用荧光定量PCR和Illumina MiSeq高通量测序分析方法,以amoA基因为靶标,研究了4种施肥制度[不施肥(CK)、化肥(CF)、70%化肥+30%有机肥(CFM₁)和40%化肥+60%有机肥(CFM₂)]水稻土壤氨氧化微生物的数量和群落结构变化.结果表明: 不同施肥处理氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB) amoA基因拷贝数分别为3.09×10⁷～8.37×10⁷和1.04×10⁷～7.03×10⁷ copies·g^-1干土.施肥显著提高了AOA和AOB数量,但处理CFM₂中AOB数量与CK差异不显著.有机肥配施比例对AOB群落α多样性指数的影响强于AOA,处理CFM₁中AOA群落的多样性指数(Shannon)和AOB群落的丰富度指数(ACE和Chao1)均显著高于CK.奇古菌门和泉古菌门是AOA群落的优势门类群,占AOA amoA基因总序列的83.4%;亚硝化螺菌属、environmental_samples_norank、Bacteria_unclassified和Nitrosomonadales_unclassified是AOB群落的优势属类群,占AOB amoA基因总序列的97.8%.维恩分析结果显示,有机肥配施比例对AOB群落操作分类单元(OTU)数量的影响强于AOA,但对各处理共有AOA和AOB amoA基因序列条数的影响均较小.冗余分析结果显示,不同施肥处理AOB群落结构差异强于AOA,且所有土壤理化性质均与AOA和AOB群落结构存在显著相关关系.综上可知:有机肥配施比例显著改变了AOA和AOB数量、多样性和群落结构,配施30%有机肥时,AOA群落的Shannon指数最高,AOB群落数量、ACE和Chao1指数均最高.研究结果可为进一步探讨农业系统中氨氧化微生物对不同施肥制度的响应机制及其在氮素转化中的作用提供科学依据.     

施用生物质炭对采煤塌陷区土壤氨氧化微生物丰度和群落结构的影响

生物质炭作为一种新型土壤改良剂,施入土壤不仅能提高肥力,改善土壤结构,还能够影响土壤氮素的转化.本文利用培养试验研究施用生物质炭对采煤塌陷区土壤性质及氨氧化菌丰度和群落结构的影响.结果表明: 生物质炭显著提高土壤铵氮(NH4⁺-N)、全氮、有效磷和速效钾含量.生物质炭施用量对氨氧化古菌(AOA)丰度没有显著影响,但是增加施用量显著提高了氨氧化细菌(AOB)丰度.对T-RFLP数据进行分析发现,生物质炭提高了AOA和AOB多样性,并在一定程度上改变了AOA和AOB群落结构.施用生物质炭提高了采煤塌陷区土壤养分含量,并在一定程度上提高了氨氧化菌的丰度和多样性,表明生物质炭对塌陷区复垦土壤具有培肥改良的潜能.     

不同放牧强度下土壤氨氧化和反硝化微生物的变化特征

土壤硝化及反硝化功能微生物在氮素可利用性、硝酸盐淋溶和氧化亚氮温室气体排放等方面起着关键作用,在指示不同放牧强度对生态系统的影响及预测草地生态系统退化状况等方面具有重要意义。以内蒙古干旱半干旱草原不同放牧强度(轻度、中度和重度)的长期试验样地为对象,应用定量PCR和限制性末端片段长度多态性(Terminal restriction fragment length polymorphism,T-RFLP)的方法,研究土壤氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)、氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和反硝化细菌的丰度、群落结构和多样性对不同放牧强度的响应。结果表明,土壤p H和铵态氮含量分别在7.90—8.18和6.37—35.92 mg/kg之间,中度放牧处理显著增高了土壤pH(P=0.03),而铵态氮含量在重度放牧处理中最高(P=0.02)。不同放牧强度下土壤异养呼吸相比未放牧处理均显著降低(P=0.02)。土壤AOA-amoA和AOB-amoA基因丰度范围分别为每克干土(4.94—7.60)×10~9个拷贝数和(0.68—3.75)×10~6个拷贝数,放牧处理对AOA-amoA基因丰度无显著影响,中度放牧处理显著降低了AOB-amoA基因丰度(P=0.04);反硝化微生物nosZ基因丰度随在轻度放牧处理中最低(P=0.03)。土壤铵态氮含量是影响AOA-amoA和AOB-amoA基因丰度的主要因子,而nosZ基因丰度主要受反硝化底物含量及土壤通气状况的影响。冗余分析表明由放牧所引起的可利用性氮含量的变化是导致氨氧化和反硝化微生物群落结构显著变化的主要因素。     

长期施肥对土壤氨氧化微生物的影响

长期施肥可改变土壤碳氮等养分供应,进而影响微生物数量与群落组成。本研究基于棕壤长期定位实验站,分析不同施肥方式下(不施肥,CK;低量无机氮肥,N₂;高量无机氮肥,N₄;有机无机氮肥配施,M₂N₂)土壤氨氧化古菌(AOA)和细菌(AOB)的变化,为土壤氮素转化的微生物学机制和培肥土壤提供依据。结果表明:不同施肥方式下,土壤AOA与AOB的数量比值为2.28～61.95。与CK相比,施肥后土壤AOA数量降低了1.6%～13.6%。N₄处理AOB数量随土壤深度增加呈先降低后升高的趋势,其他处理则相反。土壤AOB群落Shannon多样性指数、均匀度指数和Simpson指数均高于AOA。M₂N₂处理0～20 cm土层土壤AOB多样性增加,但AOA多样性降低。土壤AOB主要因土壤深度发生聚类,AOB和AOA均未因施肥方式发生聚类。综上,长期施肥改变了土壤AOA和AOB的构成状况,AOA对环境变化较为敏感,AOB较为丰富和稳定。     

酸性土壤氨氧化微生物及其影响因素研究进展

自然条件变化和人类活动不仅加剧了土壤酸化,扩大了酸性土壤面积,而且严重影响了土壤氮循环。氨氧化过程作为硝化作用的限速步骤,是全球氮循环的核心环节,受到国内外研究者的广泛关注。探究酸性土壤氨氧化作用及其功能微生物对完善氮循环机制和促进土壤养分循环具有重要意义。本文主要综述了土壤中氨氧化代谢途径,对比了氨氧化细菌(ammoniaoxidizing bacteria, AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)和全程硝化菌(complete ammoniaoxidizers,Comammox)对酸性土壤氨氧化作用的相对贡献,分析了微生物内源功能差异及pH、底物浓度等外部环境因素对氨氧化微生物丰度、活性和群落结构的影响,最后对氨氧化微生物研究进行了展望,以期为酸性土壤氨氧化作用研究和微生物修复技术应用与实践提供科学参考。     

Growth of ammonia-oxidizing archaea in soil microcosms is inhibited by acetylene

Autotrophic ammonia-oxidizing bacteria were considered to be responsible for the majority of ammonia oxidation in soil until the recent discovery of the autotrophic ammonia-oxidizing archaea. To assess the relative contributions of bacterial and archaeal ammonia oxidizers to soil ammonia oxidation, their growth was analysed during active nitrification in soil microcosms incubated for 30 days at 30 °C, and the effect of an inhibitor of ammonia oxidation (acetylene) on their growth and soil nitrification kinetics was determined. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) analysis of bacterial ammonia oxidizer 16S rRNA genes did not detect any change in their community composition during incubation, and quantitative PCR (qPCR) analysis of bacterial amoA genes indicated a small decrease in abundance in control and acetylene-containing microcosms. DGGE fingerprints of archaeal amoA and 16S rRNA genes demonstrated changes in the relative abundance of specific crenarchaeal phylotypes during active nitrification. Growth was also indicated by increases in crenarchaeal amoA gene copy number, determined by qPCR. In microcosms containing acetylene, nitrification and growth of the crenarchaeal phylotypes were suppressed, suggesting that these crenarchaea are ammonia oxidizers. Growth of only archaeal but not bacterial ammonia oxidizers occurred in microcosms with active nitrification, indicating that ammonia oxidation was mostly due to archaea in the conditions of the present study.     

施肥方式对干旱半干旱地区土壤氨氧化微生物数量和群落的影响

氨氧化是硝化作用的限速步骤,也是评估土壤氮循环和提高氮肥利用效率的重要指标。以内蒙古农牧业科学院旱作实验站长期定位实验为基础,通过实时荧光定量PCR和末端限制性片段长度多态性分析,研究了5种施肥方式（单施氮肥、单施有机肥、氮磷钾配施、有机无机配施和不施肥）对土壤氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）群落丰度、结构和活性的影响。结果表明：单施氮肥、氮磷钾肥配施以及有机无机肥配施均能显著提高AOB的丰度以及土壤硝化潜势。Nitrosospiria cluster 3a.1是不施肥土壤中主要的AOB种群,而施用氮肥后优势种群转变为Nitrosospiria cluster 3a.2。Nitrosospiria cluster 3b的比例在施用有机肥处理土壤中显著升高。在干旱半干旱地区,土壤pH和含水量是解释AOB群落结构变化的关键环境因子。AOA的丰度在单独施用氮肥处理中显著升高,但不同施肥方式对AOA的群落结构没有显著影响。     

Lower Abundance of Ammonia-Oxidizing Archaea Than Ammonia-Oxidizing Bacteria Detected in the Subsurface Sediments of the Northern South China Sea

Diversity and abundance of ammonia-oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB) in samples of the northern South China Sea subsurface sediment were assessed by analyzing the amoA gene sequences retrieved from the samples. The microbial diversity was assessed using rarefaction and phylogenetic analyses. The deep-sea subsurface sediments harbored diverse and distinct AOA and AOB communities, but the abundance of AOA was lower than that of AOB, consistent with many other studies about bacteria and archaea in subsurface sediments. Diversity of AOA shown in the OTUs and Shannon index was correlated with the concentration of nitrite in the Pearson analysis, but no obvious relationships between the diversity or abundance of AOB and the physicochemical parameters could be identified in the present study, indicating the concentration of ammonium may not be an important factor to determine the diversity and abundance of ammonia-oxidizing prokaryotes in the subsurface sediments. Additionally, Nitrosomonas-like AOB was found to be dominant in subsurface sediments of the northern South China Sea showing a different adaption strategy comparing with some Nitrosospira-like AOB lineages. Concentration of nitrite was correlated with diversity of AOA, but no correlations between diversity and abundance of AOB and the physicochemical parameters were established in the study. Supplementary materials are available for this article. Go to the publisher's online edition of Geomicrobiology Journal to view the free supplemental files.