Vertical Segregation and Phylogenetic Characterization of Ammonia-Oxidizing Bacteria and Archaea in the Sediment of a Freshwater Aquaculture Pond

淡水養殖池塘沉積物中氨氧化細菌和古細菌的垂直分離和系統發育特征

來源：Front. Microbiol. 6:1539

 

論文摘要

本論文研究了中國淡水養殖池塘沉積物中氨氧化細菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）的垂直分布。通過分析沉積物巖心（0-50厘米深度），研究發現AOA的amoA基因豐度比AOB高一個數量級，表明AOA在表層沉積物中數量上占優勢。然而，在表層沉積物（0-10厘米）中，AOB的amoA mRNA表達量比AOA高2.5至39.9倍，說明氨氧化過程主要由AOB主導。隨著深度增加，AOA在深層沉積物中成為主要氨氧化微生物。多樣性分析顯示，AOA和AOA的多樣性隨沉積物深度增加而降低，群落組成從表層以Nitrososphaera集群為主轉變為深層以Nitrosopumilus集群為主。研究強調了在頻繁缺氧的淡水養殖池塘中，AOA和AOA的垂直生態位分離，對理解氮循環和池塘管理具有重要意義。

研究目的

本研究的主要目的包括：

 

揭示垂直分布規律：探究氨氧化微生物（AOA和AOB）在淡水養殖池塘沉積物垂直剖面中的豐度、活性和群落組成的變化。

比較功能主導者：確定在沉積物不同深度，AOA和AOB誰在氨氧化過程中起主導作用。

分析環境驅動因子：評估沉積物化學參數（如溶解氧、pH、總有機碳）如何影響氨氧化微生物的分布和活性。

 

填補研究空白：提供淡水養殖池塘這一特定環境中氨氧化微生物的詳細數據，補充現有對大型水體（如湖泊和海洋）的研究不足。

 

研究思路

本研究采用了“現場采樣-分層分析-多指標關聯”的系統思路：

 

樣本采集：從中國上海的一個淡水養殖池塘（面積約5000平方米，深度1.6米）采集三個沉積物巖心（直徑5厘米，深度50厘米），按深度分層（0-10厘米每2厘米一層，10-50厘米每5厘米一層）。

化學參數測量：分析每層沉積物的pH、總有機碳（TOC）、銨氮（NH?-N）、亞硝酸鹽氮（NO?-N）和溶解氧（DO）。DO使用丹麥Unisense微電極系統以高分辨率（微米級）測量，以確定氧化還原條件。

微生物指標量化：

 

基因豐度：通過qPCR定量AOA和AOB的amoA基因拷貝數，以及總細菌和泉古菌的16S rRNA基因。

基因表達：通過逆轉錄qPCR分析amoA mRNA表達量，評估活性。

潛在氨氧化速率：使用氯酸鹽抑制法測量。

 

多樣性分析：構建amoA基因克隆文庫，進行系統發育分析（如Shannon指數、Chao估計值）。

 

數據整合：使用統計方法（如Pearson相關分析）關聯環境參數與微生物數據，闡釋垂直變化的驅動機制。

 

測量數據及其研究意義

研究測量了多類數據，其意義和來源如下（數據均引用自文檔中的圖表和正文描述）：

 

溶解氧（DO）垂直剖面

 

測量指標：沉積物中溶解氧的濃度隨深度的變化，使用丹麥Unisense OXY Meter微電極測量。

研究意義：DO數據是理解沉積物氧化還原狀態的關鍵。測量顯示DO滲透深度僅約500微米，表明表層沉積物迅速變為缺氧環境。這解釋了AOA在深層占優的原因，因為AOA更耐受低氧條件。DO剖面為微生物垂直分布提供了環境背景。

 

數據來源：圖2（caption: "Vertical distribution of DO in the sediment cores"）。

 

氨氧化微生物基因豐度和表達量

 

測量指標：AOA和AOB的amoA基因DNA拷貝數（豐度）和mRNA拷貝數（表達量），通過qPCR和RT-qPCR測量。

研究意義：這些數據直接揭示了AOA和AOB的垂直生態位分離。圖3顯示AOA基因豐度在表層（0-6厘米）比AOB高一個數量級，但圖4顯示AOB的mRNA表達量在表層（0-10厘米）遠高于AOB。這表明AOA是數量主體，但AOB是活性主體，反映了功能分工：AOB適應表層高氨環境，而AOA耐受深層缺氧。

 

 

 

數據來源：基因豐度見圖3B和C（AOA和AOB amoA基因），表達量見圖4（amoA mRNA）。

 

潛在氨氧化速率

 

測量指標：沉積物各層的潛在氨氧化速率（以亞硝酸鹽生成量表示）。

研究意義：速率數據（圖3A）顯示表層沉積物（0-6厘米）活性最高，與AOB高表達一致。這證實了AOB在氨氧化中的主要貢獻，并表明活性受深度和環境條件調控。

 

數據來源：圖3A（caption: "Vertical distribution of ammonia oxidation activity"）。

 

化學參數垂直分布

 

測量指標：TOC、NH?-N、NO?-N和pH隨深度的變化。

 

研究意義：這些參數（見正文描述，無專用圖）與微生物數據相關。例如，TOC和AOA豐度正相關，支持AOA可能利用有機物的混合營養策略；pH與AOA/AOB豐度負相關，表明pH是重要調控因子。提供了微生物分布的環境解釋。

 

多樣性指數和系統發育分析

 

測量指標：通過克隆文庫計算的Shannon指數、Chao估計值，以及基于amoA基因的系統發育樹（如Nitrososphaera和Nitrosopumilus集群）。

研究意義：圖5和6顯示多樣性隨深度降低，且群落組成變化。例如，表層AOA以Nitrososphaera為主，深層以Nitrosopumilus為主。這反映了環境過濾作用：表層AOA適應高TOC，深層AOA耐受低營養。

 

 

 

數據來源：多樣性指數見圖5，系統發育樹見圖6。

 

研究結論

 

垂直生態位分離：AOA和AOB在沉積物中存在明顯的垂直隔離。AOA在數量上占優（尤其在深層），但AOB在表層沉積物（0-10厘米）中活性更高，主導氨氧化過程。

環境驅動機制：溶解氧是關鍵因子；淺層缺氧促使AOA在深層增殖，而高氨濃度和適中pH支持AOB在表層活躍。多樣性隨深度降低，表明環境壓力增加。

 

管理意義：在養殖池塘中，AOB是控制氨污染的主要角色，但AOA在深層氮循環中起補充作用。研究結果為通過調控環境條件（如增氧）管理池塘水質提供了依據。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

丹麥Unisense溶解氧（DO）微電極在本研究中的測量數據具有關鍵意義，主要體現在以下方面：

 

高分辨率環境診斷：Unisense微電極能以微米級空間分辨率（如100微米）測量沉積物-水界面的DO垂直剖面。本研究利用它精確確定了DO滲透深度僅約500微米（圖2），這表明沉積物表層極薄層為有氧環境，之下迅速轉為缺氧。這種高分辨率數據是揭示氧化還原梯度如何塑造微生物垂直分布的基礎。

解釋微生物分布的關鍵證據：DO剖面直接支持了AOA和AOB的垂直分離機制。AOA已知更耐受低氧，而DO數據證實深層沉積物處于缺氧狀態，這合理解釋了為何AOA在深層（>10厘米）成為唯一檢測到的氨氧化微生物。反之，表層DO相對較高（但仍較低），允許AOB活躍。沒有Unisense電極的精確DO數據，對微生物分布的解釋將缺乏物理化學依據。

關聯微生物活性：DO數據與氨氧化速率和基因表達量關聯。例如，表層DO較低（但非完全缺氧）與AOB高表達一致，表明AOB能適應微氧環境。這突出了環境壓力（如低氧）如何篩選功能微生物，為理解池塘氮循環提供了機制視角。

 

技術優勢：Unisense電極提供原位、實時測量，避免了樣品氧化問題，數據更可靠。在本研究中，它與其他參數（如TOC、pH）結合，增強了整個研究的整體性和說服力，是連接環境和生物學過程的橋梁。

 

總之，Unisense電極數據不僅是環境背景描述，更是理解微生物垂直分異的核心。它證實了淡水養殖池塘沉積物是一種強烈的化學梯度系統，為類似水生生態系統的研究提供了方法學范例。