北運(yùn)河沉積物中氨氧化微生物的群落特征

鮑林林，陳永娟，王曉燕，2*（.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 00048；2.首都師范大學(xué)首都圈水環(huán)境研究中心，北京 00048）

北運(yùn)河沉積物中氨氧化微生物的群落特征

鮑林林1，陳永娟1，王曉燕1，2*（1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；2.首都師范大學(xué)首都圈水環(huán)境研究中心，北京 100048）

采用T-RFLP、RT-qPCR和克隆測序等分子生物學(xué)技術(shù)，以氨單加氧酶基因（amoA）為分子標(biāo)記，研究了北運(yùn)河表層沉積物中氨氧化古菌（AOA）和氨氧化細(xì)菌（AOB）的群落多樣性、豐度、系統(tǒng)發(fā)育及其與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系.結(jié)果表明，沉積物中AOB的群落多樣性和豐度均高于AOA，是北運(yùn)河沉積物中氨氧化過程的主要功能微生物.沉積物中氨氧化微生物群落結(jié)構(gòu)沿干流和支流存在明顯的空間分異，而AOA的種類組成空間差異較??；沉積物的氨氮）和硝態(tài)氮）是影響氨氧化微生物群落特征的主要因子，AOB對環(huán)境變化的敏感性更高；AOA和AOB的amoA基因拷貝數(shù)分別為1.32×105～1.91×106copies/g、5.39×105～8.3×106copies/g.閘壩下游沉積物的氨氧化微生物豐度最高.系統(tǒng)發(fā)育分析表明，amoA基因序列多屬于土壤/沉積物分支，較多AOB的克隆序列與土壤亞硝化螺菌屬（Nitrosospira）的類群相似性可達(dá)98%.受污水處理廠退水的影響，部分amoA基因序列與污水處理廠廢水和活性污泥中發(fā)現(xiàn)的類群同源性高.污染物質(zhì)來源、支流匯入和閘壩攔截對河流沉積物氨氧化微生物的群落特征影響顯著.

沉積物；amoA；群落結(jié)構(gòu)；豐度；系統(tǒng)發(fā)育

每年有超過一半的氮固定由人類活動產(chǎn)生，大量活性氮輸入生物圈，加劇了全球氮循環(huán)的氮負(fù)荷干擾了相應(yīng)微生物的生態(tài)功能［1］.氨氧化作用（硝化過程的第一步）作為氮循環(huán)的關(guān)鍵限速步驟，是全球氮循環(huán)的中心環(huán)節(jié)，主要由功能微生物氨氧化古菌（AOA）和氨氧化細(xì)菌（AOB）所驅(qū)動［2-3］. AOA和AOB在不同的環(huán)境條件下，兩者相對的群落結(jié)構(gòu)、多樣性、豐度和氨氧化效率優(yōu)勢不盡相同，并且受到pH值、、鹽度和有機(jī)碳等環(huán)境因子的影響［4-6］.古菌和細(xì)菌對硝化過程的相對貢獻(xiàn)率，是目前氮循環(huán)微生物生態(tài)學(xué)的研究重點(diǎn)，在大多數(shù)生態(tài)環(huán)境如土壤和海洋的氨氧化過程中AOA居主導(dǎo)地位［3，7］，但是AOA和AOB在淡水生態(tài)系統(tǒng)尤其是沉積物中的生態(tài)特征、功能差異及多樣化環(huán)境要素的影響機(jī)制仍需要進(jìn)一步的研究［8-9］.

北運(yùn)河上游河段（沙河閘-楊洼閘）主要流經(jīng)北京市北部和東部地區(qū)，流域范圍覆蓋了北京市城市化水平最高、人類活動最頻繁的區(qū)域，周圍環(huán)境受人類活動影響而變化劇烈［10］.作為北京市最主要的泄洪、排污河道，大量未經(jīng)處理的工農(nóng)業(yè)廢水、城市生活污水以及污水處理廠的退水以點(diǎn)源或非點(diǎn)源的形式排入河道，導(dǎo)致水體氨氮含量嚴(yán)重超標(biāo)［11-12］.河道水流緩慢導(dǎo)致沉積物大量淤積，而污染物質(zhì)的沉降、吸附使得沉積物成為內(nèi)源污染源，其中氮循環(huán)功能微生物的活性和氧化還原條件決定了過量氮素的有效轉(zhuǎn)化和輸出［13］，對北運(yùn)河的水質(zhì)改善具有重要作用.范改娜等［14］和張建偉等［15］在北運(yùn)河岸邊濕地和溫榆河（北運(yùn)河上游）沉積物中已分別發(fā)現(xiàn)，AOA和AOB的普遍存在.本研究利用分子生物學(xué)技術(shù)，對比研究了北運(yùn)河沉積物中氨氧化微生物（AOA和AOB）的群落特征和系統(tǒng)發(fā)育，并對其與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行定性和定量的分析，以探討AOA和AOB在城市河流氨氧化過程中的作用和功能差異，為微生物參與氨氧化過程的調(diào)控作用和建立北運(yùn)河生物地球化學(xué)循環(huán)模型提供理論基礎(chǔ)，同時也為控制城市河流氮素污染、協(xié)調(diào)水生態(tài)平衡提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2013年7月，于北運(yùn)河京區(qū)流域范圍主干水系上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)樣品的采集.沿途共設(shè)置5個樣點(diǎn)，依次編號為1、2、3、4、5（圖1）.樣點(diǎn)設(shè)置考慮了水庫、閘壩和支流匯入等影響河流水質(zhì)的主要因素:位于沙河水庫（水系上游區(qū)域）堤壩下游的1號點(diǎn)和楊洼閘（水系出京的最后關(guān)卡）閘門下游的5號點(diǎn)，位于水系主要支流（壩河和涼水河）匯入口的3、4號樣點(diǎn)，以及位于馬坊橋的2號點(diǎn).每個樣點(diǎn)分別采集上覆水和表層沉積物（3～5cm），沉積物用無菌袋封裝，冷藏保存（4℃），運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后-20℃凍存以備后續(xù)分子實(shí)驗(yàn)使用.

圖1 采樣點(diǎn)分布示意Fig.1 The distribution of sampling sites 1.沙河水庫壩后；2.馬坊橋；3.壩河口；4.榆林莊橋；5.楊洼閘后

1.2 樣品理化分析

上覆水pH值由Mettler Toledo Delta 320pH計(jì)測定，溶解氧濃度（DO）采用取樣現(xiàn)場進(jìn)行硫酸錳和堿性試劑固定的碘量法（GB 7489-87）測定，總有機(jī)碳（TOC）和總氮（TN）使用Multi NC2100（Analytik Jena，德國）測定，氨氮、亞硝氮）和硝態(tài)氮）使用FIAstar流動注射分析儀（FOSS，丹麥）測定.

1.3 沉積物DNA提取及amoA基因PCR擴(kuò)增

稱取0.3g沉積物樣品，采用Power Soil DNA試劑盒（MO BIO Laboratories Inc.，美國）進(jìn)行樣品DNA提取，作為PCR擴(kuò)增的DNA模板.AOA和AOB的amoA基因PCR擴(kuò)增反應(yīng)體系為:DNA模版10 μL，前后引物各2μL，2×Taq PCR Master Mix（天根生化科技，北京）25 μL，加雙蒸水（ddH2O）到總體積為50 μL.PCR擴(kuò)增引物和溫度程序設(shè)置如表1所示.擴(kuò)增產(chǎn)物用1%的瓊脂凝膠電泳檢測.用于末端限制性片段長度多態(tài)性技術(shù)（TRFLP）分析的PCR擴(kuò)增產(chǎn)物，對前引物（ArchamoAF， amoA-1F）5’端進(jìn)行FAM熒光標(biāo)記.

表1 氨氧化微生物amoA基因PCR擴(kuò)增引物和條件Table 1 Primers and procedures for PCR amplification of amoA genes

1.4 T-RFLP分析和RT-qPCR

利用T-RFLP進(jìn)行氨氧化微生物群落結(jié)構(gòu)分析［18］.按照TIANquick Mini Purification Kit純化試劑盒（天根生化科技，北京）對PCR產(chǎn)物純化回收后，采用限制性內(nèi)切酶HhaⅠ（Takara寶生物工程有限公司，大連）進(jìn)行酶切.反應(yīng)體系（20μL）為:PCR純化產(chǎn)物10μL，HhaⅠ酶1μL，10mol/L Buffer 2μL，ddH2O 7μL.37℃培養(yǎng)箱內(nèi)酶切5h后，70℃水浴滅活15min，酶切產(chǎn)物由上?；倒緶y定.

采用SYBR Green法，由ABI 7500FAST（Applied Biosystems， 美國）型熒光定量PCR儀進(jìn)行amoA的絕對定量分析（實(shí)時熒光定量PCR，RT-qPCR）.樣品amoA基因拷貝數(shù)的熒光定量測試由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成.

1.5 克隆、測序及系統(tǒng)發(fā)育分析

用Gel Extraction Kit（OMEGA Bio-tek，美國）對PCR產(chǎn)物進(jìn)行切膠純化，將回收產(chǎn)物與pEASY-T1載體（北京全式金生物技術(shù)有限公司）進(jìn)行連接，轉(zhuǎn)入Trans1-T1Phage Resistant化學(xué)感受態(tài)細(xì)胞，在氨芐青霉素平板上培養(yǎng)后進(jìn)行藍(lán)、白斑篩選，并通過克隆檢測引物進(jìn)行菌液PCR，挑選出陽性克隆子送至北京諾賽基因組研究中心有限公司測序.返回序列經(jīng)NCBI提交獲取序列登陸號（AOA:KF856971-KF857161； AOB: KJ093846-KJ094018）后，利用DOTUR軟件以2%的差異度劃分獨(dú)立操作單元（operational taxonomic unit，OTU）［19］，將代表序列在GenBank數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行BLAST比對，并選取已發(fā)表的氨氧化微生物amoA序列作為參比序列，使用MEGA 4軟件以鄰位相連法（Neighbor-Joining）構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹［20］.

1.6 數(shù)據(jù)分析

利用PRIMER 5.0對整理后的T-RFLP數(shù)據(jù)進(jìn)行微生物群落的香農(nóng)多樣性指數(shù)（Shannon-Weiner， H’）和均勻度指數(shù)（E），以及各樣點(diǎn)的相似性（Similarity）分析.計(jì)算公式如下:

式中:S為該樣樣點(diǎn)微生物群落T-RF片段總數(shù)；Pi= Ni/ N，為第i個T-RF片段的T-RFLP圖譜峰面積（Ni）所占總峰面積（N）的百分比.

采用SPSS16.0和PRIMER 5.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.氨氧化微生物群落與環(huán)境因子之間的關(guān)系采用Canoco for windows 4.5軟件進(jìn)行分析.

2 結(jié)果

2.1 沉積物及上覆水的理化指標(biāo)

北運(yùn)河的河道設(shè)有多道閘壩、橡膠壩等水利措施，水流平緩，沉積物淤積明顯.由表2可見，各樣點(diǎn)上覆水TN濃度均很高，其中以為主，高出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值4～8倍.和的濃度相對較低，閘壩后水體（沙河水庫閘和楊洼閘）的濃度明顯高于其他樣點(diǎn).上覆水pH＞7.5偏堿性，TOC濃度從上游到下游各點(diǎn)呈先增加后減少的趨勢.各樣點(diǎn)沉積物的pH值基本上低于上覆水，而沉積物中的與的濃度比明顯高于上覆水中的比值，2號點(diǎn)沉積物的和含量最高.位于庫壩、閘壩下游的1、5號樣點(diǎn)，水流較快，沉積物泥沙含量明顯高于其他樣點(diǎn)，其TN和TOC含量也明顯低于其他樣點(diǎn).沉積物的TN和TOC存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）.總體看來，上覆水營養(yǎng)物質(zhì)水平對沉積物具有一定的影響作用，而沉積物中氨氧化微生物對的轉(zhuǎn)化效率可能更高.

表2 表層沉積物和上覆水的理化性質(zhì)Table 2 Physicochemical properties of sediments and overlying waters

2.2 沉積物氨氧化微生物的多樣性和豐度

如表3所示，每個T-RF片段至少代表一種微生物，北運(yùn)河沉積物中共檢出33種不同的AOA和44種不同的AOB，總體來看，北運(yùn)河沉積物AOB的多樣性高于AOA.均勻度指數(shù)和多樣性指數(shù)變化一致，5號點(diǎn)（楊洼閘）的氨氧化微生物種數(shù)最少，且amoA的均勻度和多樣性最低；4號點(diǎn)（榆林莊橋）的AOA多樣性最高，2號點(diǎn)（馬坊橋）的AOB多樣性最高，3、4號點(diǎn)AOA多樣性較高于AOB.

表3 氨氧化微生物amoA的T-RFs和多樣性Table 3 The terminal fragments of amoA genes and the calculated diversity indices

圖2 各樣點(diǎn)主要T-RFs的相對含量Fig.2 The relative abundance of the dominant T-RFs in each sediment

圖2所示為5個樣點(diǎn)沉積物氨氧化微生物主要種類（T-RF百分含量大于6）的組成狀況.AOA的優(yōu)勢菌種比較突出，主要為分布在1、2、5號點(diǎn)的169bp和3、4號點(diǎn)的116bp.AOB優(yōu)勢菌的種類數(shù)較多，包括74，65，474，106bp等，且各樣點(diǎn)之間T-RFs組成的差異性較大，可見，北運(yùn)河沉積物中AOB比AOA具有更高的生物多樣性.利用PRIMER 5.0對各樣點(diǎn)氨氧化微生物的T-RFs組成進(jìn)行Similarity聚類分析，5個沉積物的AOA和AOB群落均被主要聚為兩大類:位于水系干流的1、2、5號樣點(diǎn)和位于支流入?yún)R處的3、4號樣點(diǎn).其中2、5號樣點(diǎn)AOA群落組成的相似性高達(dá)81%，1號與2、5號AOA的相似性約70%，而位于支流的3、4號樣點(diǎn)AOA群落相似性也有57%；而AOB相似性最高的樣點(diǎn)3、4號也僅53%，可見，各樣點(diǎn)AOA的群落組成相似性較高，AOB的空間差異大，群落組成多樣性更高.

圖3 各樣點(diǎn)氨氧化古菌和細(xì)菌amoA基因拷貝數(shù)Fig.3 Abundances of archaea and bacterial amoA genes in each sediment

RT-qPCR分析沉積物氨氧化微生物的豐度結(jié)果如圖3所示.AOA和AOB的amoA拷貝數(shù)分別為1.32×105～1.91×106copies/g、5.39×105～8.3×106copies/g，細(xì)菌amoA的拷貝數(shù)是古菌的2～11倍，AOB的豐度高于AOA.1、5號樣點(diǎn)的amoA拷貝數(shù)明顯高于其他樣點(diǎn)，且1號點(diǎn)的amoA拷貝數(shù)最高，AOB的豐度也最高，4號點(diǎn)（榆林莊橋）的氨氧化微生物豐度最低，氨氧化微生物的豐度主要受細(xì)菌amoA拷貝數(shù)的影響（R2= 0.99，P ＜ 0.01）.細(xì)菌和古菌的amoA占總amoA的比例為極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P ＜ 0.01），AOA、AOB在北運(yùn)河沉積物中的群落生長表現(xiàn)為一定的競爭關(guān)系.

2.3 環(huán)境因子與微生物群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)分析

利用Canoco選擇合適的分析模型，根據(jù)物種的排序結(jié)果，對AOA優(yōu)勢種與沉積物環(huán)境理化因子的關(guān)系進(jìn)行冗余分析（RDA），AOB優(yōu)勢種與環(huán)境因子的關(guān)系進(jìn)行典范對應(yīng)分析（CCA）分析（圖4）.

圖4 各樣點(diǎn)優(yōu)勢種與沉積物環(huán)境因子的關(guān)系Fig.4 The correlation analysis of the dominant T-RFs with sediment environmental factors

圖5 古菌amoA基因序列的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.5 Phylogenetic tree of representative archaeal amoA sequences and reference sequences from GenBank

圖6 細(xì)菌amoA基因序列的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.6 Phylogenetic tree of representative bacterial amoA sequences and reference sequences from GenBank

如圖4所示，各沉積物樣點(diǎn)受環(huán)境因子影響的AOA和AOB群落結(jié)構(gòu)明顯分為兩類:干流（1、 2、5號樣點(diǎn)）和支流（3、4號樣點(diǎn)），與Similarity分析結(jié)果一致.AOA優(yōu)勢種與環(huán)境因子的RDA結(jié)果顯示，排序軸AX1和AX2的解釋度分別為85.5%、8.7%，氨氮占總氮的比例（-0.9927）、氧化態(tài)氮占總氮的比例（-0.8351）和）與AX1的相關(guān)性較高與AX2的相關(guān)性較高.CCA分析沉積物AOB優(yōu)勢種與環(huán)境因子的結(jié)果表明，排序軸AX1、AX2和AX3的解釋度分別為48.3%、20.9%和18.6%，與AX1相關(guān)性高的環(huán)境因子有）、）、）和，與AX2相關(guān)性較高的環(huán)境因子為TOC/TN（0.8198，）與AX3相關(guān)性較高的環(huán)境因子有）、TN（0.6857）和pH（-0.6584）.總體而言，沉積物TN中、所占比例和的含量是影響氨氧化微生物群落結(jié)構(gòu)的主要因素，且AOB群落結(jié)構(gòu)受多種環(huán)境因子的影響，其對環(huán)境變化的敏感性比AOA高.

2.4 沉積物氨氧化微生物的系統(tǒng)發(fā)育分析

如圖5所示，沉積物中AOA的amoA基因序列在系統(tǒng)發(fā)育樹中可劃分為3個分支，其中52.5%的序列屬于第Ⅰ分支，與海岸帶沉積物及農(nóng)業(yè)土壤AOA的親緣關(guān)系較近；第Ⅱ個分支包括了8.1%的主要來自1號樣點(diǎn)的克隆序列，與崇明島東潮灘沉積物的序列（JQ345811）相似度高達(dá)99%.其余39.5%的克隆序列屬于第Ⅲ個分支，與飲用水和污水處理廠水樣中的古菌amoA序列同源性較高.此外，1號樣點(diǎn)amoA序列在3個分支均有分布，2號樣點(diǎn)主要屬于第Ⅲ個分支，而3號樣點(diǎn)僅分布于第Ⅰ分支.綜上所述，北運(yùn)河沉積物AOA的系統(tǒng)發(fā)育主要屬于土壤/沉積物分支類群，又因其高污染的環(huán)境特點(diǎn)，部分序列與污水處理廠類群的親緣性較高，主要包括2號點(diǎn)（馬坊橋）的相關(guān)序列，可能與該處強(qiáng)烈人類活動（集市，多生活固體廢棄物）影響有關(guān).

北運(yùn)河沉積物中AOB的amoA序列也主要劃分為3個分支（圖6），第Ⅰ個分支包括了45%的序列，主要與土壤amoA的序列親緣關(guān)系較近，該分支主要包括3和5號樣點(diǎn)的克隆序列，其中序列5b30與來自森林土壤［21］的Nitrosospira sp. LT2MFa（AY189145）相似性88%，序列5b10與來自農(nóng)田土壤［22］的Nitrosospira sp. Np39-19（AF042170）相似性高達(dá)98%，該分支與亞硝化螺菌屬（Nitrosospira）類群密切相關(guān)；12.4%的序列（來自1號點(diǎn)）屬于第Ⅱ分支，與污水處理廠污泥中AOB類群相似性極高；第Ⅲ個分支與河口、湖泊沉積物的AOB類群相似，包括42.6%的測試序列，2號樣點(diǎn)所有代表序列從屬于該分支.

3 討論

3.1 群落特征與環(huán)境因子的響應(yīng)關(guān)系

已有研究表明，在很多環(huán)境中AOA的群落特征和功能作用均優(yōu)于AOB，且AOA的多樣性具有明顯的環(huán)境來源特性，是驅(qū)動氨氧化過程的主要微生物［13，23］，如在海洋生態(tài)系統(tǒng)和土壤環(huán)境中古菌amoA基因比細(xì)菌的相對豐度高3000～8000倍［24-25］，淡水中AOA比AOB更適于厭氧或低氨氮濃度條件［26-27］.但是，在紅樹林沉積物［17］、河流沉積物［28］以及氨氮污染嚴(yán)重的濕地（潮灘）［29］中AOB的群落豐度更具優(yōu)勢，除氮反應(yīng)器活性污泥中的AOB群落多樣性和豐度均高于AOA，且AOB對環(huán)境變化的敏感性比AOA高［30］，本文針對amoA基因的T-RFLP和RT-qPCR實(shí)驗(yàn)分析也得到相似的結(jié)果，沉積物中AOB的種類數(shù)多于AOA，其中AOA的優(yōu)勢種類主要為169bp和116bp，AOB的優(yōu)勢種類包括74，56，474，106bp等，總體來看AOB的多樣性高于AOA.沉積物中AOB的群落豐度也高于AOA，細(xì)菌amoA的拷貝數(shù)是古菌的2～11倍，總amoA基因拷貝數(shù)與AOB豐度顯著相關(guān)，由此可見，AOB可能是北運(yùn)河沉積物中氨氧化過程的主導(dǎo)微生物.

北運(yùn)河沉積物中AOB的主要類群（分支Ⅰ，45%的amoA序列）可能屬于亞硝化螺菌屬（Nitrosospira）.而在GenBank數(shù)據(jù)庫中沒有發(fā)現(xiàn)純培養(yǎng)的AOA已知菌種與北運(yùn)河沉積物的amoA基因序列有較近發(fā)育關(guān)系.沉積物中大部分的AOA類群與土壤/沉積物來源的菌種相似性較高，AOA的系統(tǒng)發(fā)育可能與奇古菌Group I.1b類群密切相關(guān)［2］.此外，部分amoA基因序列與污水處理廠的廢水［39］、活性污泥［40］中的類群有良好的親緣關(guān)系，這與北運(yùn)河接納大量污水處理廠退水有關(guān)，通常污水處理廠退水中除了大量的有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素外，還帶有很多特有的微生物，對河流的水質(zhì)狀況和微生物系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擾動（如微生物物種的殖民）［41-42］.

3.2 氨氧化微生物的空間分異

本研究涉及的5個沉積物樣點(diǎn)，對AOA和AOB群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行Similarity聚類分析，結(jié)果可分為1、2、5號和3、4號兩類，其中，3、4號樣點(diǎn)分別位于支流壩河和涼水河的入?yún)R處，污水處理廠退水的影響強(qiáng)烈的主要補(bǔ)給來源為再生水和污水混合類， 1、2、5號樣點(diǎn)位于水系干流上主要來源于再生水水源［10］.此外，位于上游河段的1、2號樣點(diǎn)沉積物中的AOB種類數(shù)明顯高于AOA，而來自支流（壩河、涼水河）沉積物中的AOA種類數(shù)更多，到下游干流的5號樣點(diǎn)，受支流匯入的影響，沉積物中AOA種類數(shù)明顯多于AOB，可見，水系中不同點(diǎn)位主要污染物質(zhì)的來源不同，氨氧化微生物的群落結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出相應(yīng)的空間分異，且支流匯入對河流沉積物群落組成的影響作用顯著.

熒光定量分析（圖3）發(fā)現(xiàn)位于河道閘壩后的1號（沙河水庫壩后）和5號（楊洼閘后）樣點(diǎn)的amoA基因拷貝數(shù)明顯高于其他樣點(diǎn)，Spearman相關(guān)性分析表明，總的amoA基因豐度與沉積物的TN、TOC含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P ＜ 0.05），與含量也存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，閘壩后的上覆水和沉積物中TN、TOC含量也明顯低于其他樣點(diǎn)，楊洼閘后的濃度也相對較低，這可能是由于閘壩頻繁開啟擾動水體有益沉積物微生物增長，而促進(jìn)了氨氧化微生物的豐度發(fā)育和營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，同時庫壩內(nèi)相對穩(wěn)定的環(huán)境有利于營養(yǎng)物質(zhì)的沉降、截留［11］，Wall等［43］通過對Kaskaskia河上的Shelbyville水庫（美國）內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和微生物作用的研究也表明，河流水庫庫區(qū)對水體營養(yǎng)物質(zhì)的攔截和沉積物中微生物的功能作用，對庫區(qū)下游水生態(tài)系統(tǒng)具有積極作用.北運(yùn)河主河道和支流沿途都設(shè)有多道水閘、橡膠壩等水利調(diào)控設(shè)施，具有一定的攔洪、攔污作用，并明顯地影響著沉積物氨氧化微生物的群落結(jié)構(gòu)和空間分布，以及河流營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率.

4 結(jié)論

4.1 北運(yùn)河沉積物中AOB的群落多樣性高于AOA.由于支流匯入和不同污染物質(zhì)來源的影響，干流和支流沉積物氨氧化微生物群落結(jié)構(gòu)存在明顯分異，各樣點(diǎn)之間AOA的組成相似性較高，AOB的群落分布空間差異較大.

4.3 北運(yùn)河沉積物中氨氧化微生物的主要類群屬于土壤/沉積物分支，其中，AOB與土壤亞硝化螺菌屬（Nitrosospira）的相似性較高，受污水處理廠退水影響，部分amoA基因序列與污水處理廠廢水和活性污泥中發(fā)現(xiàn)的類群同源性強(qiáng).可見，污染物質(zhì)來源、支流匯入和閘壩攔截對河流沉積物氨氧化微生物的群落特征具有很大的影響作用.

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Diversity and abundance of ammonia-oxidizing prokaryotes in surface sediments in Beiyun River.

BAO Lin-lin1，CHEN Yong-juan1， WANG Xiao-yan1，2*（1.College of Resources， Environment and Tourism， Capital Normal University，Beijing 100048， China；2.Research Center of Aquatic Environment in the Capital Region， Capital Normal University，Beijing 100048， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：179～189

The community diversity， abundance， and phylogeny of ammonia-oxidizing archaea （AOA） and bacteria （AOB）in the surface sediments of Beiyun River were investigated using various molecular techniques targeting the ammonia monooxygenase （amoA） genes. Diversity and abundance of bacteria were higher than those of archaea. AOB were the dominant ammonia-oxidizing microorganisms in Beiyun River. For AOB， sediment samples from main stream and tributary were cluster into two categories. In contrast， AOA communities showed relatively slight site-specific difference. Correlation analysis indicated that concentration of ammonia） and the sum of nitrite and nitrate of sediment were the main factors affecting the community compositions of ammonia-oxidizing prokaryotes， and AOB was much more sensitive to environmental change. The amoA gene copy numbers of AOA and AOB in wet sediment ranged from 1.32×105to 1.91×106copies/g and from 5.39×105to 8.3×106copies/g， respectively. The sediment ammonia-oxidizing prokaryotes in downstream of the dam showed the highest abundance. Phylogenetic analysis revealed that most of the cloned amoA sequences of both AOA and AOB belonged to soil/sediment group. A considerable proportion of AOB sequences were highly affiliated with soil Nitrosospira lineage. Because of the influence from wastewater treatment plant effluent， some amoA sequences were similar to those recovered from activated sludge and wastewater.

sediment；amoA；community composition；abundance；phylogeny

X172

A

1000-6923（2015）01-0179-11

鮑林林（1990-），女，四川綿陽人，首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院碩士研究生，主要從事生態(tài)環(huán)境治理與建設(shè)研究.發(fā)表論文8篇.

2014-04-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41271495）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金聯(lián)合資助項(xiàng)目（20121108110006）

* 責(zé)任作者， 教授， cnuwxy@sohu.com