發(fā)布時間：2018-03-03 13:05

  本文選題：水稻土　切入點：厭氧銨氧化作用　出處：《華中農業(yè)大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：水稻是重要的糧食作物,在我國農業(yè)生產中占據重要地位。水稻田由于獨特的耕作管理制度,大部分時間處于淹水狀態(tài),并伴有間歇性落干,長期干濕交替導致水稻土氧化還原反應活躍。同時,水稻根際的泌氧作用也使得稻田土壤長期處于有氧/無氧并存的狀態(tài),既利于硝化作用過程發(fā)生,也利于硝酸鹽還原過程,使得其中氮元素的氧化還原反應劇烈。稻田土壤中過量的氮肥投入可通過硝酸鹽還原過程如厭氧銨氧化作用和反硝化作用還原產生N_2,反硝化過程中還可能釋放強效應的溫室氣體N_2O,導致氮素大量損失和溫室氣體排放。研究驅動水稻土中硝酸鹽還原作用的環(huán)境影響因子及相關微生物學機理,對于提高稻田氮肥利用效率,減少氮對環(huán)境的負面影響有重要意義。因此,在本研究中,我們沿濱海向內陸方向采集了一系列代表不同鹽度、pH、有機碳水平的水稻土64份,通過~(15)N標記技術結合定量PCR、克隆測序和Illumina Miseq高通量測序等分子生態(tài)學技術研究方法,研究不同環(huán)境條件下反硝化作用和厭氧銨氧化過程的反應速率及其參與這兩個過程的功能基因的變化特征。在此基礎上,通過室內模擬培養(yǎng)實驗,深入探討了3個代表性土壤中硝酸鹽還原過程及其關鍵功能基因的相互關系。取得結果如下:1)對野外樣品的同位素示蹤實驗結果表明,供試水稻土中厭氧銨氧化作用(Anammox)活性較低,速率為0-0.479 nmol N g~(-1)干重h~(-1),且在部分樣品中無法檢測得到,該過程對N2產生的相對貢獻率為0-12.9%。反之,反硝化過程反應速率在0.84-31.314nmol N g~(-1)干重h~(-1)之間,對N2產生的貢獻率87.1%-100%,表明反硝化作用是水稻土N2損失的主要途徑。對Anammox細菌16S rRNA基因和功能基因hzsB的克隆測序分析表明,所有樣品中Anammox細菌群落結構較為單一,只有一個優(yōu)勢種群,Candidatus Scalindua屬主要分布在高鹽高pH的沿海灘涂沉積物(TT)樣點中,而其他土壤樣品以Candidatus Brocadia屬為主。冗余分析(Redundancy analysis,RDA)表明厭氧銨氧化細菌群落組成與pH、C/N、含水量以及EC顯著相關。2)對野外樣品的硝化、反硝化潛勢及其功能基因定量分析顯示,水稻土的硝化與反硝化潛勢都很高,且表層土壤高于亞表層土壤;古菌-nirK基因的豐度在隨著鹽分含量降低而降低,在海邊灘涂沉積物表層沉積物(參照樣品)中最高,達2.42×10~8 copies g~(-1)干重,在濱海鹽漬土壤中約2.73×10~5-2.49×10~7 copies g~(-1)干重,而在內陸水稻土中甚至檢測不到。與之相反,細菌nirK基因在所有土樣中均有分布,豐度在1.23×10~7-7.36×10~7 copies g~(-1)干重。古菌nirK基因豐度與pH、EC呈正相關關系,與DEA呈負相關關系,而細菌nirK基因豐度與NH_4~+、DOC、DON和DEA都呈現顯著正相關,表明古菌參與的反硝化作用只在高pH、高EC的環(huán)境才起到主導作用�？寺y序分析表明AnirK基因序列都屬于奇古菌門,且水稻土來源的nirK基因序列與濱海沉積物和濕地樣品序列相距較遠,pH和EC是影響奇古菌門-nirK基因組成差異的主要因子。細菌nirK基因Miseq測序研究結果表明,水稻土樣品的nirK基因多樣性更高,表層土壤豐富度更高,其中TT、SY和FQ這3個高鹽高pH樣點主要以Bacteria_unclassified的細菌為優(yōu)勢菌群,同時該菌群在其他水稻土中也占有30%左右的豐度,而其他水稻土中主要以根瘤菌目和變形菌綱占優(yōu)勢,pH和EC也是細菌nirK基因分布的主要環(huán)境因子。3)為進一步驗證含nirK基因的古菌在反硝化作用中的活性及影響其活性的關鍵因素,我們選取了代表高鹽高pH的灘涂沉積物(TT)和代表中、低鹽分和pH的2個水稻土(FQ,HZ)進行微宇宙培養(yǎng)實驗,實驗結果表明:三種土壤的反硝化活性表現為FQTTHZ,隨著培養(yǎng)時間的增加反硝化速率下降;飽和含水量條件下,樣品中反硝化活性顯著高于淹水處理。對應地,古菌-nirK基因在FQ樣品中最高,TT中次之,而在HZ樣品中檢測不到,且在飽和含水量條件下顯著高于淹水處理條件;反硝化速率與古菌-nirK基因豐度呈顯著正相關關系,但與細菌nirK基因呈現負相關關系,表明古菌在FQ和TT樣品的反硝化作用中起重要貢獻。在培養(yǎng)過程中,HZ土壤樣品的硝態(tài)氮累積和N_2O產生明顯低于FQ和TT,NH_4~+含量顯著高于FQ和TT,表明培養(yǎng)過程中可能發(fā)生了硝酸鹽異化還原成銨作用。古菌-nirK基因的群落組成與野外樣品調查結果相一致,AnirK都歸屬于奇古菌門下,其中Cluster Ⅰ和Ⅱ主要是來自水稻土FQ樣品,而Cluster Ⅲ和Ⅳ這兩個簇主要為海邊灘涂沉積物TT樣品,同時pH、EC以及無機氮是影響AnirK基因豐度及其群落分布的主要環(huán)境影響因子。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：華中農業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S154.3;S153

【參考文獻】

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本文編號：1561148