Activity, abundance and community structure of anammox bacteria along depth profiles in three different paddy soils

三種不同水稻土中厭氧氨氧化細(xì)菌沿深度剖面的活性、豐度和群落結(jié)構(gòu)

來(lái)源：Soil Biology & Biochemistry, Volume 91, 2015, Pages 212-221

《土壤生物學(xué)與生物化學(xué)》，第91卷，2015年，第212-221頁(yè)

 

摘要

論文摘要闡述了通過(guò)中宇宙培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究三種不同水稻土深度剖面中厭氧氨氧化細(xì)菌的活性和群落組成。15N示蹤實(shí)驗(yàn)顯示anammox速率在兩種土壤（Binhai和Leizhou）的幾乎所有深度層普遍存在，但在Taoyuan土壤中未檢測(cè)到。功能基因hzsB僅在檢測(cè)到anammox活性的土壤剖面中發(fā)現(xiàn)。Anammox貢獻(xiàn)了總N2生產(chǎn)的0.4%-12.2%，速率與土壤pH和電導(dǎo)率顯著相關(guān)。Anammox活性和hzsB基因豐度在表層土壤（0-5 cm）顯著低于亞表層（20-60 cm）。通過(guò)克隆測(cè)序檢測(cè)到Candidatus Brocadia、Candidatus Kuenenia和Candidatus Jettenia，其中Candidatus Brocadia在三種土壤中主導(dǎo)。Anammox細(xì)菌16S rRNA基因的操作分類單元數(shù)量和多樣性指數(shù)隨土壤深度增加。結(jié)果表明anammox在堿性土中比酸性土更常見(jiàn)和活躍，在深層水稻土中比表層更活躍，且可能受pH、鹽度和氧化還原電位等土壤化學(xué)性質(zhì)調(diào)控。

 

研究目的

研究目的是檢驗(yàn)anammox在不同類型水稻土中的普遍性，沿深度剖面的變化規(guī)律，以及其活性與細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系。具體假設(shè)包括：anammox是否隨土壤條件變化而變化，是否隨土壤深度增加而增加（由于氧氣條件變化），以及anammox性能是否與分子生態(tài)特征相關(guān)。

 

研究思路

研究思路包括選擇三種水稻土（Binhai堿性土、Leizhou中性土、Taoyuan酸性土），采集不同深度層（0-5 cm、5-20 cm、20-40 cm、40-60 cm）樣本。構(gòu)建中宇宙培養(yǎng)柱，進(jìn)行15N同位素示蹤實(shí)驗(yàn)測(cè)量anammox和反硝化速率。同時(shí)，使用分子方法（如16S rRNA基因和hzsB基因的PCR、克隆測(cè)序和定量PCR）分析anammox細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)和豐度。測(cè)量土壤理化性質(zhì)（pH、EC、Eh、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度）和溶解氧剖面，以評(píng)估環(huán)境因子對(duì)anammox的影響。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 anammox和反硝化速率數(shù)據(jù)，來(lái)自Fig.2和Table 1。研究意義在于量化anammox對(duì)N2生產(chǎn)的貢獻(xiàn)（0.4%-12.2%），顯示其在堿性土中活躍但在酸性土中缺失，突出了土壤pH對(duì)anammox過(guò)程的關(guān)鍵調(diào)控作用，為理解氮循環(huán)提供新視角。

 

 

2 土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)，如pH、EC、Eh、NO3-、NH4+濃度，來(lái)自Table 1。研究意義在于揭示環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子，如anammox速率與pH和EC顯著相關(guān)，表明土壤化學(xué)條件如何影響anammox細(xì)菌的生存和活動(dòng)，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)管理。

3 anammox細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，通過(guò)16S rRNA基因測(cè)序，來(lái)自Fig.3和Table 2。研究意義在于識(shí)別主導(dǎo)屬（如Candidatus Brocadia）和深度對(duì)多樣性的影響（OTU數(shù)隨深度增加），說(shuō)明生態(tài)位分異和細(xì)菌適應(yīng)策略，有助于預(yù)測(cè)anammox在不同生境中的分布。

 

 

4 anammox細(xì)菌豐度數(shù)據(jù)，通過(guò)hzsB基因定量PCR，來(lái)自Table 2。研究意義在于關(guān)聯(lián)基因拷貝數(shù)與活性（顯著相關(guān)），驗(yàn)證分子指標(biāo)的功能意義，支持anammox潛力的評(píng)估。

5 溶解氧濃度剖面數(shù)據(jù)，使用Unisense電極測(cè)量，來(lái)自Fig.1。研究意義在于直接證實(shí)深層土壤的厭氧條件，解釋anammox活性隨深度增加的機(jī)制，強(qiáng)調(diào)氧氣可用性的關(guān)鍵作用。

 

 

結(jié)論

1 anammox過(guò)程在堿性和中性水稻土中活躍，但在酸性土中未檢測(cè)到，表明土壤pH是主要限制因子。

2 anammox活性和細(xì)菌豐度隨土壤深度增加而增加，與氧氣濃度降低相關(guān)，支持厭氧環(huán)境促進(jìn)anammox的假設(shè)。

3 anammox貢獻(xiàn)總N2生產(chǎn)的比例較低（0.4%-12.2%），反硝化主導(dǎo)氮損失，但anammox在特定條件下不可忽視。

4 anammox細(xì)菌群落以Candidatus Brocadia為主，多樣性隨深度增加，反映環(huán)境過(guò)濾和生態(tài)位分異。

5 土壤性質(zhì)如pH、鹽度和氧化還原電位顯著調(diào)控anammox，強(qiáng)調(diào)多因子交互作用。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極（O2微電極）測(cè)量溶解氧濃度剖面，提供高精度、實(shí)時(shí)的土壤氧梯度數(shù)據(jù)。研究意義在于：電極通過(guò)微操縱器精確定位，獲得Fig.1所示的深度剖面，顯示氧濃度在表層（0-4 mm）較高但隨深度迅速降至零，驗(yàn)證了深層土壤的嚴(yán)格厭氧條件；這種高分辨率測(cè)量直接支持anammox活性在深層更高的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閍nammox細(xì)菌專性厭氧，氧抑制其代謝。數(shù)據(jù)證實(shí)了土壤Eh與anammox活性的負(fù)相關(guān)，突出了氧氣可用性作為關(guān)鍵調(diào)控因子。Unisense電極的可靠性和靈敏度確保了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，為理解anammox生境需求提供了直接證據(jù)，強(qiáng)調(diào)了在氮循環(huán)研究中監(jiān)測(cè)微環(huán)境的重要性。