入湖口氮转化功能基因时空分布特征及其影响因素
作者单位：安徽建筑大学
学位级别：硕士
导师姓名：黄健
授予年度：2023年
主 题：入湖口 氮转化功能基因 Mantel检验 主成分分析
摘 要：氮元素过量汇入是引起湖泊富营养化的原因之一。氮元素可以通过微生物参与的硝化-反硝化、厌氧氨氧化等过程进行转化去除,因此系统内参与氮转化过程的功能微生物成为解决湖泊氮污染的关键因素。微生物参与的氮转化过程从本质上受到功能基因的调控,通过分子生物学技术对氮转化功能基因进行研究可以直接从核酸水平解释微生物群落变化特征以及其参与氮转化过程潜力的大小。氮转化功能基因在氮转化过程中发挥着至关重要的作用,而不同时空下环境因子的异质性会导致氮转化功能基因的分布与丰度产生变化。因此,研究湖泊沉积物中氮转化功能基因与环境因子之间的相关性对强化湖泊生物脱氮及揭示环境因子对氮转化过程的影响机理具有重要的意义。研究以巢湖流域南淝河、派河、杭埠河入湖口为研究对象,分别在枯水期、平水期、丰水期对入湖口上覆水与沉积物进行采样,对COD、氮磷营养盐、粒径以及溶解性有机质等指标进行测定,分析入湖口中环境因子的时空变化规律。利用分子生物学qPCR技术对入湖口沉积物中参与硝化、反硝化、厌氧氨氧化以及固氮过程的功能基因进行绝对定量分析,探究氮转化功能基因的时空分布特征,并利用主成分分析、Mantel Test等统计学方法对入湖口环境中氮转化功能基因丰度与环境因子相关性的时空变化特征进行研究,揭示不同时空下入湖口环境中氮转化功能基因的主要影响因素。研究结果如下:(1)环境因子检测结果表明:入湖口上覆水水质的时空差异性明显,而沉积物环境的时空差异性较弱。上覆水氮污染指标在时间上呈现出枯水期平水期丰水期的规律;在空间上,南淝河入湖口上覆水氮污染最为严重,杭埠河污染程度最轻。上覆水各项指标PCA结果表明,TN、NH、COD、温度是入湖口上覆水环境进行时空差异性划分的决定性因子。沉积物TN、TP指标在时间上呈现出由枯水期到丰水期逐渐上升的趋势,空间上变化规律不明显。沉积物粒径百分比分布在平水期最为接近。沉积物溶解性有机质主要成分是芳香族蛋白质与类富里酸;三个入湖口的溶解性有机质总荧光强度都在平水期达到最高值,且在丰水期出现大幅下降。沉积物各项指标PCA结果表明,TP、溶解性有机质是造成沉积物环境时空差异性的关键因子。(2)分子生物学qPCR绝对定量结果显示:入湖口沉积物环境中氮转化功能基因的季节差异性较为明显,而同季节下的空间差异性较弱。硝化功能基因中nxr A丰度最高;AOB＿amo A丰度的时空差异性并不明显;AOA＿amo A丰度在丰水期杭埠河入湖口样本点中最高。反硝化功能基因中,nar G、nap A、nir K丰度值都在时间上呈现出由枯水期到丰水期不断升高的趋势;但nir S在枯水期的丰度值最高,达到10;nos Z、nor B丰度都在丰水期大幅升高,分别达到6.14×10～1.07×10、1.80×10～1.69×10 copies/g。厌氧氨氧化功能基因中,hzs A、hzs B丰度出现相似的时空变化趋势,最高值均出现在丰水期杭埠河,达到10;hzo丰度一直处于较低水平,仅有10～10。固氮功能基因nif H在枯水期的丰度值为10左右,枯水期与丰水期升高至10。P CA结果显示,入湖口季节性的环境变化主要影响到的功能基因是AOA＿amo A、nxr A、nir K、nos Z、hzs B。(3)统计学相关性分析结果表明:不同时空下入湖口环境中氮转化功能基因丰度的主要影响因素不同。枯水期Pearson相关性分析表明,三个入湖口中弱碱性的p H环境限制了硝化-反硝化以及固氮功能基因的表达,p H与AOA＿amo A、nir K、nos Z、nif H都呈现负相关关系;平水期Pearson相关性分析表明,厌氧氨氧化功能基因受到环境因子的抑制作用,hzo与DO呈现显著负相关关系,hzs B与p H呈现负相关关系。丰水期Mantel Test分析表明,派河入湖口反硝化功能基因与沉积物TP呈现正相关关系,而杭埠河入湖口反硝化功能基因与沉积物粒径指标d、d呈现显著负相关关系。图[27]表[9]参[128]
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