湖泊氮素氧化及脱氮过程研究进展

自然界中氮的生物地球化学循环主要由微生物驱动,由固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用来完成。过去数十年间,随着异养硝化、厌氧氨氧化和古菌氨氧化作用的发现,人们对环境中氮素循环认识逐步深入,提出了多种脱氮途径新假说。对湖泊生态系统中氮素的输入、输出及其在水体、沉积物和水土界面的迁移转化过程进行了概括,对湖泊生态系统中反硝化和厌氧氨氧化脱氮机理及脱氮效率的最新研究进展进行了探讨,并对以后的氮素循环研究进行了展望。     

微生物在近海氮循环过程的贡献与驱动机制

人类活动导致海岸带氮超载而富营养化,进而引起更多的生态环境问题.在全球变化背景下,进一步揭示微生物驱动的氮循环过程的驱动机制及贡献,对评价与预测近海生态系统服务功能变化、管理决策等至关重要.本文介绍了固氮、氨化、硝化、反硝化、硝酸盐铵化、厌氧氨氧化过程在近海多种生境沉积物中的生物地球化学(速率、通量、贡献)与微生物生态学(功能类群丰度)特征及时空变化规律,阐述温度、溶氧、盐度、活性溶解有机碳、无机氮、沉水植物、底栖动物活动等因素对各过程速率的影响及对各竞争性类群或过程(氨氧化细菌/氨氧化古菌,反硝化/硝酸盐铵化/厌氧氨氧化)的调控机制,并简析了海岸带微生物氮循环研究所面临的机遇与挑战.     

氨氧化古菌及其在氮循环中的重要作用

氨氧化作用作为硝化过程的第一步,是氮素生物地球化学循环的关键步骤.长期以来,变形菌纲卢和',亚群中的氨氧化细菌一直被认为是氨氧化作用的主要承担者.然而,近年来研究发现氨氧化古菌广泛存在于各种生态系统中,并且在数量上占明显优势,在氮素生物地球化学循环中起着非常重要的作用.本文概述了氨氧化古菌的形态、生理生态特性及其系统发育特征,对比分析了氨氧化古菌和氨氧化细菌的氨单加氧酶及其编码基因的异同,综述了氨氧化古菌在水生和陆地等生态系统氮素循环中的作用,同时就氨氧化古菌在应用生态和环境保护领域今后的研究重点进行了展望.     

氨氧化微生物生态学与氮循环研究进展

氮的生物地球化学循环主要由微生物驱动,除固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用外,近年还发现厌氧氨氧化是微生物参与氮循环的一个重要过程.同时,随着宏基因组学等分子生物技术的快速发展和应用,参与氮循环的新的微生物类群--氨氧化古菌也逐渐被发现.这两个重要的发现大大改变了过去人们对氮循环的认识,就近年有关厌氧氨氧化细菌、氨氧化古菌和氨氧化细菌的生态学研究进展作一简要综述.     

热泉微生物驱动的氮循环研究进展及展望

热泉微生物是驱动热泉氮(N)循环的主导力量,开展热泉生态系统中驱动氮循环微生物种群构成及其与环境响应的研究,对于探索热泉中氮的生物地球化学循环、生命进化、生物修复等方面都具有重要的理论和应用价值。本文综合阐述了热泉生态系统驱动氮循环的功能微生物(如固氮菌、氨氧化菌、厌氧氨氧化菌、反硝化菌、异化硝酸盐还原菌)在系统发育学上的分布、功能基因的相对丰度、活性及其与环境因子(如温度、pH)的相关性等方面的研究现状和亟待解决的问题。并展望了热泉生境中驱动氮循环微生物未来的研究方向。     

太湖沉积物中氮循环菌的微生态

采用荧光原位杂交(FISH)技术,对梅梁湾和贡湖湾湖区沉积物中微生物的主要种群,及氮循环功能微生物的数量和分布进行了研究,发现随着深度增加,细菌和古菌数量均逐渐减少,但古菌在总菌数中所占比例有所增加;梅梁湾沉积物中氨氧化细菌及亚硝酸氧化细菌的数量均高于贡湖湾,随深度增加,两者数量均逐渐减少,但在贡湖湾其占总菌数的比例高于梅梁湾,表明水生植物可能对沉积物中微生物组成及氮循环有重要影响。泉古菌在太湖沉积物中普遍存在且数量高于氨氧化细菌,说明其在淡水湖泊中对氮循环可能有重要作用。     

红树林沉积物中微生物驱动硫循环研究进展

红树林滨海湿地是在周期性咸水、淡水作用下形成的特殊生态系统,其沉积物中有机质含量丰富,微生物驱动的营养物质循环活跃。由于红树林沉积物中硫酸盐含量高、硫化物种类多,因此红树林是研究硫元素生物地球化学循环过程和机制的理想系统。本文综述了红树林生态系统中主要的硫元素循环过程,重点总结了硫氧化和硫酸盐还原过程及其功能微生物,分析了影响硫氧化和硫酸盐还原的主要环境因素,并对红树林沉积物中微生物驱动硫循环的重点研究方向进行了展望。鉴于微生物驱动的硫循环过程耦合碳、氮和金属元素循环,本文可为深入探究微生物驱动的生物地球化学元素循环耦合机制提供参考。     

红树林沉积物中微生物驱动硫循环研究进展北大核心CSCD

红树林滨海湿地是在周期性咸水、淡水作用下形成的特殊生态系统,其沉积物中有机质含量丰富,微生物驱动的营养物质循环活跃。由于红树林沉积物中硫酸盐含量高、硫化物种类多,因此红树林是研究硫元素生物地球化学循环过程和机制的理想系统。本文综述了红树林生态系统中主要的硫元素循环过程,重点总结了硫氧化和硫酸盐还原过程及其功能微生物,分析了影响硫氧化和硫酸盐还原的主要环境因素,并对红树林沉积物中微生物驱动硫循环的重点研究方向进行了展望。鉴于微生物驱动的硫循环过程耦合碳、氮和金属元素循环,本文可为深入探究微生物驱动的生物地球化学元素循环耦合机制提供参考。     

温州市境内城市河流底泥氨氧化菌富集培养物微生物群落结构分析

【背景】城市河流底泥含有丰富的微生物资源,底泥表面更是硝化作用的主要位点之一,其表面微生物在河流生态系统氮的转化过程中发挥着重要作用。【目的】以温州市境内的城市河流水系温瑞塘河茶山段舜岙河和横江河的4条河道作为采样点,比较分析4种不同环境下城市河流表层底泥氨氧化菌富集培养物的微生物群落结构。【方法】通过野外采样及室内培养对底泥中氨氧化功能菌进行富集培养,采用高通量测序技术分析微生物群落的组成、丰度和多样性。【结果】富集培养后主要优势类群为变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)。4个样品共涉及氨氧化细菌3个属,分别为亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、亚硝化球菌属(Nitrosococcus),涉及氨氧化古菌1个属为Nitrososphaera,其中所有样品均以Nitrosomonas为主。不同底泥富集样品氨氧化微生物可操作分类单元(Operational taxonomic unit,OTU)组成存在明显差异,栽种有水生植物的河道底泥样品DA2具有最高的氨氧化细菌OTU数量和相对丰度,而存在生活餐饮污染的河道底泥样品DA4具有最高的氨氧化古菌OTU数量和相对丰度;相较于滞留水体,采自相对流动水体的富集样品DA2、DA4具有更高的氨氧化微生物OTU数量和相对丰度。【结论】阐述了4种不同环境下城市河流底泥氨氧化菌富集培养物微生物群落结构的多样性,确定了富集培养之后的优势类群,为氨氧化微生物培养源的选择提供了参考,也为城市河流底泥中氨氧化菌进一步的筛选分离及其生理生态特征的研究提供了科学依据。     

人工湿地氮去除关键功能微生物生态学研究进展

人工湿地是一种能有效处理水体氮素污染的生态技术,其中微生物是驱动人工湿地系统中氮素去除的重要引擎。近20年来,随着分子生物学技术的广泛应用,有关人工湿地氮去除功能微生物生态学方面研究取得了一些重要进展。以硝化-反硝化作用和厌氧氨氧化作用这两种重要的人工湿地微生物脱氮途径为主,针对氨氧化细菌/古菌、厌氧氨氧化菌和反硝化菌等关键脱氮功能微生物的研究,重点归纳总结了目前有关这几类关键功能菌群在人工湿地中的丰度、活性、多样性、分布特征与影响因素,及其对废水中氮去除的作用,并在此基础上对今后的重点研究工作提出了展望。面向未来人工湿地氮去除关键功能微生物的研究应侧重其在污水净化和温室气体减排等方面的生态功能研究,同时加强其代谢过程与机制以及不同功能菌群间的关联研究。     

Ecological characteristics of anaerobic ammonia oxidizing bacteria

Anaerobic ammonium oxidation (anammox) is the microbial conversion of ammonium and nitrite to dinitrogen gas. The functional microbes of anammox reaction are anammox bacteria, which were discovered in a wastewater treatment system for nitrogen removal. Anammox bacteria are prevalent in anoxic ecosystems and play an important role in both biological nitrogen cycle and nitrogen pollution control. In this paper, we reviewed the investigation on ecological characteristics of anammox bacteria, and tried to figure out their complicated intraspecies and interspecies relationships. As for intraspecies relationship, we focused on the quorum sensing system, a cell density-dependent phenomenon. As for interspecies relationship, we focused on the synergism and competition of anammox bacteria with other microorganisms for substrate and space. Finally, we discussed the great influence of environmental factors (e.g., dissolved oxygen, organic matters) on the constitution, structure and function of anammox bacteria community.     

亚硝酸盐氧化细菌的生态位以及对海洋环境变化的响应机制

硝酸盐是海洋微生物可利用氮的主要形式,也是限制表层海洋生物生产力的主要营养物质,海洋中的硝酸盐主要由氨和亚硝酸盐的氧化产生。探索亚硝酸盐氧化细菌在海洋生态系统中的生态位以及对环境变化的响应机制,对认识微生物参与的氮循环具有十分重要的意义。本文综述了海洋亚硝酸盐氧化细菌的研究进程及其主要种类,并总结了其主要的生理生态学特征,指出微生物在海洋生态系统变迁中所衍生出的适应对策。基于当前的研究现状,展望亚硝酸盐氧化细菌未来的研究方向,以期更好地了解海洋中亚硝酸盐的氧化过程,为进一步认识氮在生物地球化学中的循环奠定基础。     

基于BIOLOG技术分析氮沉降和降水对土壤微生物功能多样性的影响

土壤微生物是有机物分解和养分循环的主要介质,因此在维持土壤的功能多样性和持续性方面发挥着关键作用。气候变化驱动因素会影响土壤微生物的生理活动,引起其群落结构和功能多样性的改变,并对生物地球化学循环和气候―生态系统反馈产生连锁效应,其中氮沉降和降水是全球气候变化的研究热点。土壤氮(N)的有效性有可能通过改变微生物的群落组成以调节微生物对降水变化的响应,但目前关于N沉降和降水及其交互作用对土壤微生物群落功能多样性的影响机制仍不清楚。为了准确预测未来气候条件下生态系统的功能状况,需要更好地了解土壤微生物对环境变化的响应。基于BIOLOG技术综述了氮沉降和降水变化及其交互作用对土壤微生物功能多样性影响的相关研究进展,可以为进一步研究全球气候变化背景下地下生态学的发展提供参考。另外,分析阐述了当前工作中存在的一些主要瓶颈,并对未来的研究热点进行了探讨和展望。     

粉粒氨氮和水分影响浮霉菌门群落的空间分化

【背景】来自浮霉菌门(Planctomycetes)的厌氧氨氧化菌是高氨污染系统安全脱氮的生态友好型微生物,但关于特定生态梯度下Planctomycetes群落结构功能的空间分化以及驱动分化的主要环境因子等问题尚未引起关注。【目的】阐明Planctomycetes群落结构空间分化及影响其分化的主要环境因子。【方法】运用16S rRNA基因高通量测序手段检测温带半干旱区河流系统砂质及粉质沉积物、粉砂质及粉质土壤Planctomycetes群落结构的空间分布变化,统计学方法分析粉粒等理化因子对Planctomycetes群落结构功能分化的影响。【结果】OM190_ub_o_o. o1种群主要分布在寡营养的砂质沉积物中,仅由砂粒正向驱动;OM190_o_o_o. o2和SM1A02. ub5种群主要分布在中营养的粉砂质土壤中,由水分和pH等正向驱动;AKYG587.ub3、Pla4_lineage_o_o_o.o6、Singulisphaerao7、Singulisphaeraub8、Planctomycetaceae_u. ub9种群主要分布在全营养粉质土壤中,由黏粒、粉粒、盐度、有机碳、全氮、全磷、硝态氮正向驱动;Phycisphaera ub4种群虽优先分布在中营养的粉砂质土壤中,但表现出由中营养向全营养过渡的分布趋势,由硝态氮负向驱动;全部种群都由氨氮负向驱动。变异分析表明粉粒、氨氮、水分贡献了Planctomycetes群落结构变化52.7%、10.4%、10.3%的变异度。【结论】温带半干旱区河流系统Planctomycetes群落存在明显的空间分化特征,沉积物/土壤粉粒、氨氮和水分是驱动Planctomycetes群落结构及功能变异的主要因子,全营养粉质土壤中的Planctomycetes群落可能为附着型异养反硝化菌,寡营养粉砂质土壤中的Planctomycetes群落可能为对氨氮及硝态氮有高度亲和力的游离型自养氨氧化或反硝化菌,这为氨氧化或反硝化相关Planctomycetes群落高效应用于高氨等污染系统的生物脱氮提供了科学依据。     

黄土丘陵区不同植被土壤氮素转化微生物生理群特征及差异

采用最大或然计数法(most probable number, MPN)对黄土高原洞子沟流域不同植被恢复阶段土壤氮素微生物生理群(氨化细菌、亚硝化细菌、反硝化细菌)数量分布特征进行了测定,结果表明:1)土壤氨化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌数量随植被恢复而增加,三者最大值分别为最小值的74、4和31倍,其中氨化细菌和反硝化细菌的数量在铁杆蒿群落最低,辽东栎群落最高,亚硝化细菌数量在丁香群落最低,辽东栎群落最高;2)植被恢复对各氮素生理群影响不同,对氨化细菌影响最大,其次分别为反硝化细菌和亚硝化细菌;3)各氮素生理群数量差异较大,氨化细菌>反硝化细菌>亚硝化细菌。研究区氨化细菌占总数的75%-80%,反硝化细菌占20%-25%时,生态系统最为稳定;4)土壤理化性质与各功能菌关系紧密,其中,土壤容重和硝态氮含量与微生物数量相关性最大,全钾、矿化氮和微生物量氮也表现出很大的相关性。     

Enzymology and ecology of the nitrogen cycle

The nitrogen cycle describes the processes through which nitrogen is converted between its various chemical forms. These transformations involve both biological and abiotic redox processes. The principal processes involved in the nitrogen cycle are nitrogen fixation, nitrification, nitrate assimilation, respiratory reduction of nitrate to ammonia, anaerobic ammonia oxidation (anammox) and denitrification. All of these are carried out by micro-organisms, including bacteria, archaea and some specialized fungi. In the present article, we provide a brief introduction to both the biochemical and ecological aspects of these processes and consider how human activity over the last 100?years has changed the historic balance of the global nitrogen cycle.     

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。     

硝化细菌群的富集及其去除城镇寡营养河道中氨氮污染的应用

[背景]随着工农业的发展,污水排放导致的氨氮超标逐渐成为水体污染的重要因素,脱氮已成为人们研究的重点.目前脱氮方法主要集中于硝化细菌的硝化作用,其将氨氮转化为硝酸盐氮,从而减少水体中氨氮的污染.由于工业废水和农业污水中的有机物含量较高,而且异养硝化细菌具有生长较快等优势,因此对异养菌的研究多于自养菌.然而现有的异养硝化...     

Host and tissue variations overshadow the response of boreal moss‐associated fungal communities to increased nitrogen load

Human activity has more than doubled the amount of nitrogen entering the global nitrogen cycle, and the boreal forest biome is a nitrogen‐limited ecosystem sensitive to nitrogen load perturbation. Although bryophyte‐associated microbes contribute significantly to boreal forest ecosystem function, particularly in carbon and nitrogen cycling, little is known about their responses to anthropogenic global change. Amplicon pyrosequencing of the ITS2 region of rDNA was used to investigate how fungal communities associated with three bryophyte species responded to increased nitrogen loads in a long‐term fertilization experiment in a boreal Picea abies forest in southern Norway. Overall, OTU richness, community composition and the relative abundance of specific ecological guilds were primarily influenced by host species identity and tissue type. Although not the primary factor affecting fungal communities, nitrogen addition did impact the abundance of specific guilds of fungi and the resulting overall community composition. Increased nitrogen loads decreased ectomycorrhizal abundance, with Amphinema, Cortinarius, Russula and Tylospora OTUs responding negatively to fertilization. Pathogen abundance increased with fertilization, particularly in the moss pathogen Eocronartium. Saprophytic fungi were both positively and negatively impacted by the nitrogen addition, indicating a complex community level response. The overshadowing of the effects of increased nitrogen loads by variation related to host and tissue type highlights the complexity of bryophyte‐associated microbial communities and the intricate nature of their responses to anthropogenic global change.