亚热带北部湾红树林生态系统中氮循环的宏基因组学研究

作     者：聂世清 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋承建

授予年度：2021年

学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 

主      题：红树林生态系统 脱硫杆菌目 氮循环 互花米草 氮污染 硝酸盐还原 硫氧化 

摘      要：由于近年来频繁的工业生产活动,氮污染已经成了一个在国际上受到广泛关注的严重问题。尽管已有许多研究报道红树林生态系统可以降解氮污染,然而其降解机制尚不清晰。此外,近年来互花米草的入侵破坏了红树林生态系统的平衡,但其对红树林中氮循环的影响尚不清晰。因此,本研究旨在评价广西典型亚热带红树林沉积物中微生物对氮循环的影响。利用宏基因组学技术分析了红树林生态系统降解氮污染的机制以及互花米草的入侵对这种机制的影响,并确定了氮污染相关的主要菌以及关键环境因子。之后利用q PCR技术对关键结论进行了验证。最后为了进一步探索红树林中的优势氮污染降解菌,通过宏基因组分箱技术获得了大量新的具有氮污染降解能力的微生物基因组。本研究的具体结论如下:1.在红树林沉积物中,湿季的氮代谢活性显著高于干季。最丰富的氮循环基因是与有机氮的合成和降解有关的基因,其次是涉及硝酸盐还原的基因。其中,异化硝酸盐还原是最主要的硝酸盐还原途径。脱硫杆菌目(Desulfobacterales)在氮循环中起着最重要作用,平均贡献了12%的氮代谢基因。红树林生态系统主要通过脱硫杆菌目的异化硝酸盐还原作用来有效地缓解日益严重的氮污染。然而,只有50%的氮循环基因可以匹配到对应的物种,这表明尚且存在许多未知的微生物可以进行氮循环。2.在红树林沉积物中,总磷、有效铁、硫化物和总有机碳与氮循环基因的分布,代谢途径和物种组成之间具有强烈的相关性。其中总有机碳和有效铁的含量与氮循环基因的丰度主要为显著负相关,总磷和硫化物与氮循环基因的丰度主要为显著正相关。3.硝酸盐还原主要发生在红树林沉积物的浅层(0～10 cm),主要由细菌完成。在红树林沉积物的深层(50～100 cm),古菌对硝酸盐还原基因的贡献率显著增加。红树林沉积物中硝酸盐还原与硫氧化(尤其是硫化物氧化)之间存在较强的偶联,并且硫化物含量与硝酸盐还原基因的丰度显著正相关。4.宏基因组分析及后续的qPCR验证显示在互花米草入侵之后大多数硝酸盐还原基因的丰度都得到了增加,特别是亚硝酸盐还原酶基因(nir S)。这意味着互花米草的入侵显著增强了红树林沉积物中的硝酸盐还原能力,加速了氮污染降解过程。此外,207个新的微生物基因组被成功构建,包括50个具有高拷贝(10)硝酸盐还原基因的微生物,这表明红树林沉积物中的优势菌群具有很强的硝酸盐还原能力。本研究充分阐明了红树林生态系统降解氮污染的机制以及互花草入侵对红树林生态系统硝酸盐还原的影响。本研究为有效控制氮污染、研究新型氮污染降解菌提供了有效的参考。