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题名: 厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化细菌在土壤中的分布、 活性及其应用
作者: 夏超
学位类别: 硕士
答辩日期: 2015-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 祝贵兵
关键词: 厌氧氨氧化细菌,反硝化厌氧甲烷氧化细菌,土壤,分布,活性,anammox bacteria, n-damo bacteria, soil, distribution, activity
其他题名: Distribution, Activity and Application of Anaerobic Ammonia Oxidizing Bacteria and Nitrite-Dependent Anaerobic Methane Oxidizing Bacteria in Soil
学位专业: 环境工程
中文摘要:     厌氧氨氧化(anaerobic  ammonium  oxidation,anammox)和反硝化厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent  anaerobic methane  oxidation,n-damo)的发现打破了人们长久以来对生物氮、碳循环的传统认识。厌氧氨氧化细菌(anammox bacteria)和反硝化厌氧甲烷氧化细菌( n-damo  bacteria)在水生态系统中均有分布,并且在全球氮循环和缓解温室效应中发挥重要作用。
    海洋沉积物、海水、湿地沉积物和稻田土壤中普遍存在厌氧氨氧化细菌,但是从陆地的草原土壤、森林土壤和旱地土壤中无法检测到厌氧氨氧化细菌。土壤的含水率,特别是土壤中是否存在着上覆水、重力水和地下水等自由水,可能是决定厌氧氨氧化细菌在土壤中分布规律的重要生态因子。反硝化厌氧甲烷氧化细菌在稻田、河流、湖泊、泥炭沼泽等湿地生态系统中有分布,但是其在陆地土壤中的分布规律仍不甚清楚,决定其分布的关键生态因子也是未知的。
    故本研究以不同类型土壤(河口潮间带、湖泊岸边带、稻田土壤、旱地土壤和极端环境沉积物)作为研究对象,应用分子生物学、环境理化因子分析、稳定同位素示踪和人工模拟培养等方法,对厌氧氨氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化细菌进行研究,以期探明这两类微生物在土壤中的分布规律、活性和重要生态因子。
    河口潮间带表层土壤在潮汐的作用下,普遍分布着厌氧氨氧化细菌(1.86×103 ~8.60×106  copies  g-1)。湖泊岸边带表层土壤在未被水淹的状态下无法检测到厌氧氨氧化细菌,但是在被湖水长期淹没后能从中检测到厌氧氨氧化细菌(1.97×104~4.34×106  copies  g-1)。湖泊岸边带垂向土壤受地下水的作用,其表层无厌氧氨氧化细菌分布,其分布的热区位于地下水位附近及以下深层土壤(1.75×107~6.10×107  copies  g-1)。稻田垂向土壤受到灌溉的影响,其厌氧氨氧化细菌分布热区位于地下水位水位线以上的区域( 6.90×105~7.66×106  copiesg-1)。结果说明厌氧氨氧化细菌在土壤中的存在需要特定的生态位,土壤是否与地下水或者地表水等自由水接触对厌氧氨氧化细菌的分布有决定性影响。
    另外,厌氧氨氧化细菌存在于一些典型极端水环境中并且发生厌氧氨氧化反应,其在温度、pH和底物浓度方面有着广阔的生态位,这些因子均不是决定厌氧氨氧化细菌存在与否的关键生态因子。未检测到厌氧氨氧化细菌的旱地、林地表层土壤经过加水长期人工模拟培养后,厌氧氨氧化细菌成功得到激活、富集。结果证明决定厌氧氨氧化细菌在土壤分布的关键限制性生态因子是土壤自由水。并不是所有河口潮间带表层土壤中均存在M.oxyfera-like 细菌(0~3.26×106 copies g-1)。湖泊岸边带表层土壤长期处于落干状态时无法从中检测到M.oxyfera-like细菌,但被湖水长期淹没后可以检测到M.oxyfera-like细菌(1.28×104~2.28×105  copies g-1)。湖泊岸边带不同深度的垂向土壤都存在M.oxyfera-like细菌,其分布热区位于地下水位线附近及以下的深层土壤(1.05×105~1.49×106 copies g-1)。稻田土壤 M. oxyfera-like细菌丰度在表面两层较低,其分布的热区位于地下水位以上的区域( 1.15×103~5.56×106  copies  g-1)。 结果说明 M.  oxyfera-like在土壤中的存在需要特定的生态位,土壤自由水状态是影响其分布的重要但非唯一限制性生态因子。
    研究结果修正和完善了微生物氮循环过程理论体系,为厌氧氨氧化反应和反硝化厌氧甲烷氧化在土壤中的研究起到向导作用。

 
 
英文摘要:     The  discoveries   of  anaerobic  ammonium   oxidation  (anammox)  and   nitrite-dependent anaerobic  methane oxidation (n-damo)  changed the traditional  knowledge about  biological  nitrogen  and  carbon  cycle.  Both  anaerobic  ammonium  oxidation bacteria  (anammox   bacteria)  and   nitrite-dependent  anaerobic   methane  oxidation bacteria (n-damo  bacteria) occur in water  ecosystem, and play  important roles in  the global nitrogen cycle and the remission of greenhouse effect.
    Anammox  bacteria have  widespread  occurrence in  ocean  sediments, seawater, wetland sediments and  paddy field. But they  can’t be found in  steppe soil, forest soil and dry  land in  terrestrial ecosystem.  Soil moisture,  whether the soil  has free  water such as  overlying water,  gravity water  and  groundwater, to  be specific,  may be  the important ecological factor  that could determine the occurrence  of anammox bacteria in soil. N-damo bacteria have  been found in wetland ecosystem, such as paddy  fields,rivers, lakes and peat  bogs. But the distribution  and the key ecological factors,  which determine the occurrence, of n-damo bacteria in soil are still unclear.
    So this paper took typical  soil (estuarine intertidal zone, lake riparian zone,  paddy soil, dry  land soil  and sediments from  extreme environments)  as research  objects to explore  the  distribution,  activity  and important  environmental  factor  of  anammox bacteria   and    n-damo   bacteria   in    soil,   using   molecular    biology   techniques, physicochemical factors analysis, isotope tracing techniques and artificial cultivation.
    Anammox  bacteria   widely   occurred  in   estuarine  intertidal   zone  (1.86×103~8.60×106  copies  g-1), with  influences  of  tide.  Anammox  bacteria didn’t  occur  in surface  soil in  lake  riparian  when the  soil  wasn’t  flooded.  But when  the  soil  was flooded   by   lake   water   for   long   time,   anammox   bacteria  could   be   detected (1.97×104~4.34×106 copies  g-1). Anammox bacteria were  not detected in surface  soil in lake  riparian zone,  and the  hotspots were  located nearby  and below  groundwater level  (1.75×107~  6.10×107 copies  g-1)  because  of  the  effect of  ground  water.  The hotspots  of  anammox  bacterial  abundance  were  located  above  the  water  level  in paddy   field  (2.01×104~7.66×106   copies   g-1)   with   the   influences  of   irrigation. Anammox  bacteria not  ubiquitously occur  in  soil ecosystems  reflects  their specific ecological   requirements,  that   is,   the   free  water   such   as  overlying   water   and groundwater in  soil is  the decisive  factor that stimulate  the occurrence  of anammox bacteria.
    Moreover,   anammox  bacteria   exist  in   some   typical  extreme   environments (6.94×104~8.05×106 copies  g-1), such as  high and low  temperature, high and  pH and eutrophic  condition.  This  result  indicates  that environmental  temperature,  pH  and nutrition  conditions   are  not   the  important   ecological  factor   that  determine   the occurrence of  anammox bacteria  in soil.  And in the  dry land  soil and the  woodland surface soil where anammox bacteria weren’t detected before, anammox bacteria were successfully activated  and enriched  after adding  water for long  time, indicating  that the key restriction factor is the condition of free water in soil.
    M.  oxyfera-like   bacteria  could   be   found  in  every   samples  from   estuarine intertidal  zone  (0~3.26×106  copies  g-1).   M.  oxyfera-like  bacteria  didn’t   occur  in surface  soil in  lake  riparian  when the  soil  wasn’t  flooded.  But when  the  soil  was flooded  by  lake  water  for  long  time,  M.  oxyfera-like  bacteria  could  be  detected (1.28×104~2.28×105 copies g-1). M. oxyfera-like bacteria  occurred in all depths of soil in lake  riparian  zone and  the hotspots  were located  nearby  and below  groundwater (1.05×105~1.49×106 copies g-1). The  abundances of M. oxyfera-like bacteria of paddy soil  were   low  in   the  surface   layers  and   the  hotspots   were  located   above  the groundwater (1.15×103~5.56×106 copies g-1). The results  indicate that M. oxyfera-like bacteria need  specific ecological requirements to  occur in soil.,  and the free water  in
soil is an important but not unique factor.
    Hopefully, our research  results will revise and improve  the theoretical system of the nitrogen cycle,  and play the guide  role for the research  on anammox and  n-damo in soil.
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/34446
Appears in Collections:环境水质学国家重点实验室_学位论文

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夏超--厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化细菌在土壤中的分布、 活性及其应用.pdf(4034KB)学位论文--限制开放 联系获取全文

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夏超. 厌氧氨氧化和反硝化厌氧甲烷氧化细菌在土壤中的分布、 活性及其应用[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2015.
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