河口生态系统氨氧化菌生态学研究进展

由amoA基因编码的氨单加氧酶(AMO)所调控的氨氧化作用,是硝化作用的限速步骤和中心环节,而含有amoA基因的氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)多样性与环境因子关系密切,对缓解河口生态系统因人类活动造成的富营养化等环境问题具有特别重要的意义。水、陆和海交汇形成高度变异的具环境因子梯度的河口生态系统,是研究AOA和AOB生态学的天然实验室。河口AOA与AOB的群落组成、丰富度特征和生物有效性,与河口主要环境因子盐度、富营养化程度、植被、温度、碳、氮、硫、铁等,尤其是对盐度和富营养化有着较为强烈的响应。AOA和AOB多样性变化规律及其与河口特有的环境因子之间的相关性,应当是今后我国河口氨氧化菌研究的方向和重点。包括:(1)建立有效的氨氧化菌活性评价方法;(2)研究AOA的同化作用方式;(3)依据氨氧化菌分类和组成对河口环境变化的适应进化机制,建议可作为指示河口环境质量变化的生物标记;(4)将传统的分离培养方法与现代分子生物学研究方法相结合,筛选我国河口高效的氨氧化菌,并将其应用于生产。     

好氧氨氧化菌的种群生态学研究进展

好氧氨氧化菌是一类能够在好氧条件下将NH4^＋转化为NO2^-的化能无机自养型细菌,其活动将直接或间接影响土壤养分循环、水体富营养化、温室气体（N2O）和生态系统的功能。现代分子生物学技术的发展促进了人们对好氧氨氧化菌种群生态学的研究。介绍了近年来基于16SrRNA和氨单加氧酶amoA基因序列分析的好氧氨氧化菌的系统发育研究,比较了两种基因序列分析在好氧氨氧化菌遗传多样性研究中存在的差异;概述了环境条件诸如铵浓度、酸度、氧的可利用性、温度、盐度等对好氧氨氧化菌种类、数量及其种群生态分布的影响;阐述了好氧氨氧化菌对铵、氧饥饿的响应特征及其在酸性环境中的生存机制;并对今后好氧氨氧化菌的应用生态学研究及其主要方向进行了展望。     

缢蛏养殖池塘氨氧化微生物的季节变化特征

为探究缢蛏(Sinonovacula constricta)养殖池塘中氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的季节变化及其环境因子相关性, 试验以amoA基因为分子标记, 利用荧光定量PCR技术对养殖池塘水体及沉积物中的AOA和AOB进行了研究。结果显示, 季节变化对于水体及沉积物中的AOA和AOB的amoA基因丰度有一定的影响, 不同季节的水体及沉积物中AOA含量均比AOB含量高一个数量级。其中水体中AOB在秋季显著高于其余三季(P<0.05); AOA在冬季最低, 且显著低于春秋两季(P<0.05)。沉积物中AOB和AOA均在冬季显著高于其余三季(P<0.05)。环境因子相关性分析结果表明: 水体中AOB丰度与氨氮成显著正相关(P<0.05), 与亚硝氮成显著负相关(P<0.05); AOA丰度与水温成正显著相关(P<0.05), 与硝氮成负显著相关(P<0.05)。沉积物中AOB丰度与溶解氧、硝氮、总氮及亚硝氮成显著正相关(P<0.05), 与水温成显著负相关(P<0.05); AOA丰度与溶解氧、总氮、硝氮成显著性正相关(P<0.05), 与水温成负显著相关(P<0.05)。多元线性回归方程结果显示, 缢蛏养殖池塘的AOA及AOB丰度与硝氮密切相关。研究表明, AOA在缢蛏养殖池塘氨氧化进程中占据主导地位, AOA和AOB丰度受盐度、温度、氮素浓度及溶解氧等环境因子的共同影响。     

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。     

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.     

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。     

抑制剂在氨氧化微生物研究中的应用

在氨氧化微生物的相关研究中经常使用各类抑制剂,包括针对硝化作用的抑制剂和针对微生物生长的抑制剂。自发现氨氧化古菌以来,人们在氨氧化细菌抑制剂的基础上重新筛选和使用不同的抑制剂来满足氨氧化微生物研究的需求。抑制剂既可以加速氨氧化古菌的富集,也可以帮助研究者区分古菌与细菌对硝化作用的贡献以及它们自身合成代谢能力的差别。本文综述了各类抑制剂的使用浓度和抑制效果,包括双氰胺(DCD)、3,4-二甲基吡啶磷酸盐(DMPP)、丙烯基硫脲(ATU)等传统抑制剂,乙炔和辛炔等炔烃类抑制剂,一氧化氮清除剂以及抗生素等对氨氧化微生物的活性和生长有特异性或通用抑制能力的抑制剂。通过对氨氧化微生物抑制剂的归纳总结,可为氨氧化微生物研究过程中抑制剂的选择提供参考。     

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。     

东湖表层沉积物中氨氧化古菌和氨氧化细菌丰度及多样性研究

研究通过高通量测序和荧光定量PCR等分子生物学分析方法, 以氨单加氧酶基因(amoA)为分子标记, 研究了东湖表层沉积物中AOA和AOB的群落多样性、丰度及其与环境因子的关系。结果表明, 东湖沉积物AOA主要为Nitrosopumilus, 其群落结构与沉积物中总氮含量显著相关, 而AOB主要为Nitrosomonas, 群落结构与沉积物中总有机碳和总磷显著相关。此外, 不同季节AOA丰度均高于AOB, 且沉积物AOA数量与温度呈显著负相关, 但AOB丰度变化不明显。东湖沉积物中AOA可能主导了氨氧化过程。     

氨氧化古菌的生态学研究进展

上百年来细菌一直被认为是地球氨氧化过程的主要驱动者,2005年海洋中分离到迄今唯一的非极端环境泉古菌,发现其氧化氨态氮获得能源生长,是氨氧化古菌。氨氧化古菌和细菌对地球氨氧化过程的相对贡献率,是目前全球氮循环研究最重要的微生物生态学问题之一。已有的证据表明古菌在海洋氨氧化过程中发挥了重要作用,细菌则是土壤氨氧化过程的主要驱动者。本文重点探讨了原位自然环境下氨氧化古菌的生态学研究进展。     

Dynamics of ammonia-oxidizing archaea and bacteria populations and contributions to soil nitrification potentials

It is well known that the ratio of ammonia-oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB) ranges widely in soils, but no data exist on what might influence this ratio, its dynamism, or how changes in relative abundance influences the potential contributions of AOA and AOB to soil nitrification. By sampling intensively from cropped-to-fallowed and fallowed-to-cropped phases of a 2-year wheat/fallow cycle, and adjacent uncultivated long-term fallowed land over a 15-month period in 2010 and 2011, evidence was obtained for seasonal and cropping phase effects on the soil nitrification potential (NP), and on the relative contributions of AOA and AOB to the NP that recovers after acetylene inactivation in the presence and absence of bacterial protein synthesis inhibitors. AOB community composition changed significantly (P⩽0.0001) in response to cropping phase, and there were both seasonal and cropping phase effects on the amoA gene copy numbers of AOA and AOB. Our study showed that the AOA:AOB shifts were generated by a combination of different phenomena: an increase in AOA amoA abundance in unfertilized treatments, compared with their AOA counterparts in the N-fertilized treatment; a larger population of AOB under the N-fertilized treatment compared with the AOB community under unfertilized treatments; and better overall persistence of AOA than AOB in the unfertilized treatments. These data illustrate the complexity of the factors that likely influence the relative contributions of AOA and AOB to nitrification under the various combinations of soil conditions and NH₄⁺-availability that exist in the field.     

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。     

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。     

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。     

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.     

Comparison of the community structures of ammonia-oxidizing bacteria and archaea in rhizoplanes of floating aquatic macrophytes

Some common floating aquatic macrophytes could remove nutrients, such as nitrogen, from eutrophic water. However, the relationship between these macrophytes and the ammonia-oxidizing microorganisms on their rhizoplanes is still unknown. In this study, we examined communities of ammonia-oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB) on the rhizoplanes of common floating aquatic macrophytes (Eichhornia crassipes, Pistia stratiotes and Ipomoea aquatic) in a eutrophic reservoir.The results show that AOB were the predominant ammonia-oxidizer on the three rhizoplanes. The principal AOB were Nitrosomonas europaea and Nitrosomonas ureae clades. The principal group of AOA was most similar to the clone from activated sludge. The ratio of AOB amoA gene copies to AOA varied from 1.36 (on E. crassipes) to 41.90 (on P. stratiotes). Diversity of AOA was much lower than that of AOB in most samples, with the exception of P. stratiotes.