基于宏基因组分析珠江口沉积物中反硝化细菌的群落结构和功能网络
河口生态系统是氮素转化的热点区域。反硝化作用不仅是河口生态系统中活性氮去除最重要的方式之一，也是大气中温室气体氧化亚氮（N2O）的重要来源。河口区域的反硝化脱氮过程与环境污染和温室气体排放等问题息息相关。珠江口作为中国南方最大的河口，其所在的珠江口三角洲也是人口和经济高度发展的地区。随着经济发展，珠江河口环境不可避免地受人类活动的严重影响，接受大量的陆源活性氮输入，有着活跃的反硝化脱氮活性。因此，珠江口的反硝化微生物的群落结构分析对于阐明其脱氮机制和功能具有重要意义。 本文基于宏基因组学的研究方法，分别从编码基因和基因组的角度，对珠江口沉积物中的反硝化微生物群落进行了全面的探究。本论文取得的主要结论如下： （1）珠江口表层沉积物中大部分反硝化功能基因丰度和多样性都存在显著的空间异质性特征。编码硝酸盐还原酶的napAB基因和氧化亚氮还原酶的nosZ基因的相对丰度沿上游到下游丰度逐渐升高，编码亚硝酸盐还原酶的nirK基因和编码一氧化氮还原酶的norBC基因的相对丰度则逐渐下降，只有编码亚硝酸盐还原酶的nirS基因不具有显著的空间分布差异。皮尔森相关性分析显示norB与nosZ的相对丰度比值与沉积物的潜在N2O释放速率之间具有显著正相关关系（r=0.71，P＜0.001；r=0.74，P＜0.001），是一个有效的反映生境N2O释放情况的参数。 （2）不同功能基因的群落结构差异表明珠江口沉积物的反硝化过程具有高度模块化特征。功能基因的物种注释结果显示，Proteobacteria是反硝化过程最主要的细菌种类。但参与反硝化不同转化过程的功能基因的群落结构在门水平呈现出了显著差异，表明反硝化不同类群分别介导其中的一个或几个相关过程，不同类群之间通过协作完成整体的反硝化过程，一种细菌难以完成复杂的反硝化过程的全部转化。因此，珠江口沉积物中的反硝化过程是一个高度模块化的过程，介导不同反硝化步骤的短程反硝化细菌，通过相互协作，完成活性氮的去除。相关性网络分析的结果显示在活性氮浓度较高的上游区域中，沉积物的反硝化细菌协作网络的密度较大，表明上游的反硝化细菌群落具有更高复杂度的特征，促使其在高浓度活性氮的环境中更加紧密地协作，更高效地进行反硝化过程。 （3）通过宏基因组分箱和基因组分析发现反硝化过程是由介导其中一个或几个步骤的短程反硝化细菌通过相互协作来完成的。从宏基因组样品中重建了51个潜在的反硝化细菌基因组并进行基因组分析，结果并没有发现能够进行完全反硝化的基因组。能介导反硝化过程中一步或几步的短程反硝化细菌是珠江口沉积物中反硝化细菌的主要类型，它们通过传递代谢产物来协作完成完整的反硝化过程。这些基因组在珠江口沉积物中的分布具有显著的空间差异，上游和下游的基因组类群显著不同，中游过渡区域的类群呈现出最高的多样性。 （4）通过基因组分箱分析在珠江口下游的沉积物样品中获得了8个来自SG8-38属的bins，分析表明这是一类新的能够介导一氧化氮（NO）还原为氮气（N2）的粘细菌（Myxococcota）。基因组注释表明他们都具有编码一氧化氮还原酶的基因norBC和氧化亚氮还原酶的基因nosZ，但缺少编码硝酸盐还原酶的基因napAB或narGHI和编码亚硝酸盐还原酶的基因nirS或nirK，因此只能进行短程反硝化。比较基因组分析显示，SG8-38科下还有7个待定的种也都能够参与短程反硝化。因此，SG8-38科可能是一类常见于河口生态系统的短程反硝化细菌。 本研究从功能基因和基因组两个角度，展示了珠江口沉积物中反硝化细菌的群落结构，首次揭示了微生物反硝化过程在河口生态系统中的模块化特征，为河口区域的活性氮去除的微生物作用机理的认识提供了新的思路，为活性氮污染生态治理提供一个新的参考方向。
河口生态系统;反硝化细菌;微生物群落结构;宏基因组;功能网络;脱氮活性
广州大学
硕士
环境科学
洪义国
2023
中文
X172
2023-08-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）