水庫與河流沉積物中好氧甲烷氧化菌群落差異性研究

劉 洋,陳永娟,王曉燕,3*,許康利,楊志偉

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水庫與河流沉積物中好氧甲烷氧化菌群落差異性研究

劉 洋1,2,陳永娟1,王曉燕1,3*,許康利1,楊志偉4

(1.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院,北京 100048；2.中國水利水電科學研究院,北京 100038；3.首都師范大學首都圈水環(huán)境研究中心,北京 100048；4.首都師范大學生命科學學院,北京 100048)

甲烷在自然生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中起著重要作用,氮素形態(tài)的差異影響了甲烷氧化菌的氧化作用. 選取北京市密云水庫和北運河兩類不同污染類型的水體作為研究區(qū)域,采用克隆文庫分子生物學的方法,探究氮素形態(tài)及其來源的差異對MOB細菌群落特征的影響. 結果表明:密云水庫與北運河沉積物中氮素形態(tài)有顯著差異,水庫中氮素以NO3--N為主,河流中氮素以NH4+-N為主;氮素形態(tài)的差異影響了MOB細菌的系統(tǒng)發(fā)育,密云水庫沉積物中MOB細菌的高同源性菌群主要來自湖泊生態(tài)系統(tǒng),與NO3--N有較強的響應關系,北運河沉積物中MOB細菌高同源性菌群主要來自污水處理廠廢水和活性淤泥,與NH4+-N有較強的響應關系,不同環(huán)境中氮素對MOB細菌的影響主要依賴于氮素的主要存在形態(tài)及其主要來源. 北運河等重污染河流中MOB細菌群落的聯(lián)系更緊密更趨于模塊化,對環(huán)境變化的敏感程度更高,微生物更脆弱,更容易受到水質變化以及人類活動的干擾. 北運河沉積物中NH4+-N對MOB細菌氧化速率的抑制性強于密云水庫沉積物中NO3--N對甲烷氧化的抑制作用. 重污染的城市河流中高濃度的NH4+-N通過抑制甲烷氧化速率和促進產甲烷產生速率的雙重作用影響了河流沉積物中甲烷的產生.

沉積物；好氧甲烷氧化菌；氮素形態(tài)；群落結構；系統(tǒng)發(fā)育；環(huán)境因子；共存關系網絡

甲烷(CH4)的排放是自然生態(tài)系統(tǒng)中不可忽視的問題,其單位分子的增溫潛力是CO2的25倍,平均存留時間為CO2的4倍,在自然生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中起著重要作用[1-5].甲烷氧化菌是甲烷重要的生物匯,能消耗轉化生態(tài)系統(tǒng)中約76%~90%的甲烷,對保持大氣甲烷濃度的平衡具有重要的意義[1-5].好氧甲烷氧化菌(MOB)在自然環(huán)境中分布廣泛,能以甲烷作為碳源和能源,將90%由產甲烷菌產生的甲烷氧化[7].影響甲烷氧化菌的化學因素主要有氧氣/水分狀況/重金屬以及含氮化合物等[8],有研究表明外源氮肥對MOB細菌的影響較復雜,不同的環(huán)境中氮素含量的差異能影響MOB細菌的氧化作用[9].

全球CH4排放量約500~600Tg/a,其中濕地是最大的排放源,占總排放量的23%,中國有水庫約80000個,河流1500多條,其中水庫流域面積超過1000km2,成為CH4排放的熱點區(qū)域[10-11].密云水庫是北京市重要的引用水源地,為保證水質安全,水庫水體保持在中營養(yǎng)的狀態(tài),流域內甲烷的釋放量每年呈現增加的趨勢[12].水庫中氮磷的污染仍不容忽視,其主要受到流域沿岸的農業(yè)面源污染的影響[13].汛期降水徑流攜帶的污染物影響水質狀況,氮素存在狀態(tài)以NO3-為主.北運河是北京市主要的排污泄洪河道,主要流經北京市人類活動最頻繁的北部和東部地區(qū),受人類活動影響變化劇烈[14].作為北京市主要的排污河道,大量未經處理的工農業(yè)廢水、城市生活污水和污水處理廠的退水排入河道,導致水體氨氮含量嚴重超標[15-17].北運河河道水流緩慢導致沉積物大量淤積,而污染物質的沉降/吸附使得沉積物成為內源污染源[18].密云水庫和北運河從污染類型,污染物質來源以及氮素的主要污染類型均存在差異性.

目前氮素形態(tài)對MOB細菌群落特征影響的研究主要集中在不同施肥土壤氮素形態(tài)對MOB細菌群落特征的影響[19-20]及在實驗室條件下模擬氮素的不同形態(tài)及不同的添加濃度對MOB細菌群落特征及甲烷氧化速率的影響[20-21].淡水生態(tài)系統(tǒng)中外源氮素對MOB細菌的影響主要借鑒農田土壤中氮素影響MOB細菌群落特征的相關研究.人類活動干擾程度/污染程度以及氮素形態(tài)差異較大的淡水生態(tài)系統(tǒng)中MOB細菌群落特征的差異性研究還存在明顯不足.密云水庫為北京市飲用水源地,人類活動干擾程度小,污染程度弱,營養(yǎng)物主要為NO3-;北運河為北京市城市河流,人類活動干擾程度強,水體污染嚴重,NH4+-N污染嚴重.本文選擇密云水庫和北運河兩類污染程度及主要氮素形態(tài)截然不同的自然水體作為研究區(qū)域,通過對比沉積物中氮素形態(tài)的差異,分析氮素污染類型及氮素來源的差異對MOB細菌的群落多樣性以及群落結構的影響,探究不同氮素污染類型水體對MOB細菌與環(huán)境因子相應關系的差異,進一步解釋污染程度的差異對淡水生態(tài)系統(tǒng)中甲烷氣體產生和消耗的影響,為不同污染類型水體MOB細菌的氧化過程的調控作用提供理論基礎,也為控制重污染河流中甲烷等溫室氣體的排放提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

分別于2015年7月和2016年7月于密云水庫和北運河采集樣品,使用抓泥斗采集底泥樣品(0~5cm)約1kg.依據研究區(qū)域樣點均勻分布的原則,如圖1所示,密云水庫內布設8個采樣點,北運河內共設置7個采樣點(樣點主要集中在人類活動干擾強度大的中下游).

采集到的樣品在聚氯乙烯塑料瓶-4℃儲存,24h內運回實驗室.所有樣品分為兩部分:一部分用冷凍干燥機(Alpha 1-2LD plus; Martin Christ, Germany)烘干,研磨過200目篩后用于理化分析;另一部分樣品放入-80℃超低溫冰箱保存,用于后續(xù)分子生物學實驗.

圖1 密云水庫和北運河采樣點分布

1.2 樣品理化分析

水質指標使用多參數水質儀(HYDROLABMS5) (HACH,美國)現場測定,包括溫度(T)、pH值、溶解氧(DO)、鹽度(Salinity)等.其他理化指標依照《土壤農化分析(第5版)》的方法[22]進行測定.沉積物中氨氮(NH4+-N),硝態(tài)氮(NO3--N),亞硝態(tài)氮(NO2--N)和總磷(TP),用2mol/L KCl溶液浸提,浸提懸浮液離心過濾,使用FIASTAR 5000連續(xù)流動進樣分析儀(FOSS,丹麥)進行測定;TOC使用總有機碳分析儀進行測定(Liqui TOCⅡ,德國);TN按照凱式定氮法使用凱氏定氮儀(KDY-9830)進行測定.

1.3 DNA提取和amoA基因PCR擴增

表1 N-DAMO和MOB細菌所需引物和溫度程序

沉積物中的DNA使用Power Soil DNA kit(Mo Bio Laboratories,Carlsbad, California, USA)試劑盒,依據說明說提取.MOB細菌的基因擴增引物為A189F和Mb661R,PCR擴增的主要溫度程序見表1.

1.4 統(tǒng)計學分析

使用MOTHUR軟件以5%的差異度劃分獨立操作單元(operational taxonomic unit, OUT),計算香農多樣性指數/辛普森指數和Chao1指數[23].使用MEGA 4軟件[25]以鄰位相連法(Neighbor- Joining)構建系統(tǒng)發(fā)育樹.使用STAMP軟件[26]基于T-TEST方法計算兩樣本之間的差異.使用R 3.3.2的psych package 1.7.5[27]計算樣本間微生物之間的共生關系,并進一步使用Cytoscape 3.5.1[28]軟件構建微生物的共生網絡關系.使用R 3.3.2軟件的Vegan package 2.4[29]冗余分析(RDA)計算生物群落分布與環(huán)境因子的相關性,通過mantel及partial mantel檢驗方法識別各環(huán)境因子的影響及貢獻.采用SPSS(PASW statistics 18.0)軟件對理化數據進行統(tǒng)計分析.

2 結果和討論

2.1 底泥氮素形態(tài)差異

對比分析密云水庫和北運河沉積物的理化參數(基于T-test方法)(圖2).密云水庫沉積物中氨氮(NH4+-N)和總磷(TP)均顯著低于北運河沉積物中的相關指標(<0.05),密云水庫沉積物中硝態(tài)氮(NO3--N)/亞硝態(tài)氮(NO2--N)和C/N均顯著高于北運河沉積物中的相關指標(<0.05).北運河底泥中NH4+-N占總氮的78.70%,為氮素的主要形態(tài),密云水庫底泥中NO3--N占總氮的42.97%.

密云水庫為北京市的引用水源地,人類活動干擾小,水庫處于中營養(yǎng)狀態(tài)并有向富營養(yǎng)發(fā)展的趨勢[30].李冬青等[31]和秦麗歡等[32]分別對密云水庫水質及營養(yǎng)鹽變化進行了研究,均發(fā)現密云水庫水體氮素以NO3--N為主.北運河作為北京市的泄洪排污河道,人類活動干擾大,氨氮污染嚴重[15,18].北運河水體中高濃度的氨氮一方面來源于未經處理的工農業(yè)廢水/城市生活污水及污水處理廠退水的匯入,另一方面來自農業(yè)灌溉的輸出[33].陳永娟等[34]對北運河污染物通量的研究證實了水體中高濃度的NH4+-N主要來自污水處理廠出水及農業(yè)灌溉的輸入.本文沉積物理化指標結果表明,NH4+-N為北運河沉積物中氮素的主要存在形態(tài).于洋等[35]和鮑林林等[18]對北運河的相關研究均表明NH4+-N是北運河沉積物中氮污染的主要形態(tài).密云水庫沉積物和北運河沉積物中氮素的主要形態(tài)存在顯著差異,前者以NO3--N為主,后者以NH4+-N為主,兩個研究區(qū)域沉積物中氮素的主要形態(tài)均與水體中氮素的主要形態(tài)一致.

圖2 密云水庫沉積物和北運河沉積物理化指標差異(MY:密云水庫;BY:北運河)

2.2 MOB細菌多樣性指標差異

密云水庫沉積物中MOB細菌共擴增出222條基因序列,覆蓋范圍均為0.66~0.96;北運河沉積物中MOB細菌共擴增出基因序列166條,覆蓋范圍均為0.58~0.83,密云水庫和北運河沉積物中MOB細菌序列均具有代表性(表2).基于5%的基因差異,密云水庫沉積物中MOB細菌劃分出2~23個OTUs(平均值=7.75),香農指數(Shannon)指數范圍為0.15~3.04,Simpson指數范圍為0.02~0.93;北運河劃分出5~19個OTUs(平均值=6.86),Shannon指數范圍為1.36~2.78,Simpson指數范圍為0.01~0.26.基于T-test方法,對比分析密云水庫中MOB細菌的多樣性指標和北運河中MOB細菌的多樣性指標,結果發(fā)現沒有顯著性差異(>0.05).云南不同土地利用類型的淡水湖泊沉積物中MOB細菌劃分OTUs的范圍為16~23,Shannon指數范圍為2.53~2.79[36].中國云南高原13個富營養(yǎng)淡水湖泊底泥中MOB細菌劃分出11~30個OTUs,Shannon指數范圍為2.24~3.12[36].密云水庫中MOB細菌和北運河中MOB細菌的OTUs個數和Shannon指數均與淡水生態(tài)系統(tǒng)中MOB細菌相關指標一致.

表2 密云水庫和北運河底泥中MOB細菌多樣性指標

注: M:密云水庫;B:北運河.

2.3 MOB細菌系統(tǒng)發(fā)育樹差異

選取MOB細菌具有代表性的基因序列進行系統(tǒng)發(fā)育樹分析.密云水庫中MOB細菌共分為4個分支[圖3(a)].ClustersⅠ(42.34%)和ClustersⅢ(13.06%)分別為第一大和第三大分支,兩者均與淡水湖泊[36]中的MOB細菌有較高的同源性,ClustersⅢ分支中MOB細菌與純培養(yǎng)sp(Ⅰ型MOB)的同源性較高. ClustersⅡ和ClustersⅣ分別為第二大和最小的分支,前者與土壤純培養(yǎng)的(Ⅰ型MOB)和(Ⅰ型MOB)同源性高,后者與純培養(yǎng)的(Ⅰ型MOB)同源性高.

北運河中MOB細菌共分為3個分支[圖3(b)].ClustersⅠ為最大的分支(42.17%),高同源性菌群主要來自廢水淤泥[38]和活性淤泥[39]. ClustersⅡ(39.76%)和ClustersⅢ (13.06%)分別為第二大和第三大分支,前者與湖泊[40]中MOB細菌的同源性高,后者主要與稻田土壤[41]和純培養(yǎng)、和(Ⅱ型MOB)的同源性高.基于Bray-Curtis距離算法對細菌群落進行Heatmap分析(圖4),MOB細菌共聚為3類,第一聚類以密云水庫為主(M5、M3、M4、M8、M7、B9和B7),第二聚類以北運河為主(B5、B8、B3、M1和B2).

系統(tǒng)發(fā)育樹分析結果顯示,TypeⅠ型的MOB細菌在密云水庫和北運河中占主導,前者高同源性菌群主要來自湖泊生態(tài)系統(tǒng),后者主要來自活性淤泥和廢水淤泥.云南13個淡水湖泊[23]和美國阿拉斯加北部的Qalluuraq湖泊[42]中均發(fā)現TypeⅠ型MOB細菌占主導地位.華盛頓湖[43]、康士坦茨湖[44]、Stechlin湖[45]及我國淡水沼澤濕地[23]的相關研究均證明了TypeⅠ型MOB細菌是我國淡水湖泊沉積物中的優(yōu)勢菌種.人類活動的干擾導致北運河岸邊水土流失嚴重,大量的農田土壤隨雨水匯入河中[33].由于缺乏自然徑流,北運河依靠污水處理廠的再生水補給,處理廠的再生水攜帶設施中的微生物一同匯入北運河[15].北運河系統(tǒng)發(fā)育樹ClustersⅢ與農田土壤中細菌的同源性高.有研究表明TypeⅠ型和TypeⅡ型的MOB細菌均可在農田土壤中被檢測,其中TypeⅡ型的MOB細菌占主導地位[36].北運河系統(tǒng)發(fā)育樹ClustersⅠ中細菌與活性淤泥及廢污水中MOB細菌有較高的同源性.鮑林林等[17-18]對北運河沉積物中的脫氮功能微生物及氨氧化微生物群落特征的研究發(fā)現,兩種細菌均與廢水和活性污泥中的類群同源性高[17-18].不同功能細菌的研究均證實了北運河沉積物中微生物群落受到了周邊污水處理設施及未經處理的生活污水的影響,北運河水體環(huán)境的改變會對MOB細菌群落結構及細菌的來源產生影響.

圖3 密云水庫(a)和北運河(b)pmoA基因序列的系統(tǒng)發(fā)育樹

圖4 MOB細菌Heatmap分析(基于Bray-Curtis距離)

2.4 共存關系網絡Co-occurrence Network差異性

MOB細菌的共存關系網絡(co-occurrence network)可以用來評估復雜生態(tài)系統(tǒng)中微生物之間以及微生物與環(huán)境因子之間的相互關系,能表征棲息地環(huán)境特征與微生物群落之間的聚集關系[46-48].通過MOB細菌的Network分析,北運河中MOB細菌的共生關系網絡圖中共有25個點,52條相關線[圖5(b)],密云水庫中MOB細菌的共生關系較復雜,共15個點,71條相關線[圖5 (a)].MOB的OTUS與環(huán)境因子的相關性來看,北運河中的相關性更強.環(huán)境的異質性及理化特征的復雜程度來看,北運河環(huán)境的異質性更高、理化特征的復雜性更強.

圖5 密云水庫(a)和北運河(b) MOB細菌Network分析

圓點代表MOB細菌的OTUs,線段代表相關性,只有<0.05的相關關系在圖中顯示

表3 密云水庫和北運共存關系網絡的拓撲參數

對比分析密云水庫和北運河拓撲結構參數(表3),北運河的網絡結構范圍更大、結構的異質性更強及特征路徑更長.密云水庫MOB細菌和北運河MOB細菌的中心化程度、集聚系數均較高.網絡結構拓撲圖中點的分布和以及點與點之間的相互關系能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性[49-50].模塊化程度(Modularity) >0.4表明網絡拓撲圖已經形成模塊化[51],用于表征微生物群落生態(tài)位的分化程度,模塊化程度越高微生物生長的生態(tài)位分化程度越高.模塊化程度可以表征微生物各個模塊群落之間的聯(lián)系緊密程度,模塊化程度越高表征微生物群落模塊內物種之間的聯(lián)系越緊密,微生物群落越脆弱,受到環(huán)境變化的干擾程度越高[48,52].就模塊化程度而言,重污染的北運河沉積物中MOB細菌的OTUS之間的模塊化程度更高,細菌更脆弱,微生物對環(huán)境改變的敏感性更強,MOB細菌受到人類活動干擾的程度更高.

2.5 相關環(huán)境因子差異性

依據Pearson相關性分析(表4),密云水庫MOB細菌和北運MOB細菌的多樣性指標均與三態(tài)氮(NH4+-N、NO3--N、NO2--N)、TN和TOC有顯著的相關關系(<0.05).密云水庫系統(tǒng)發(fā)育樹的ClustersⅠ和ClustersⅢ分支的MOB細菌均與NO3--N有顯著相關關系.北運河系統(tǒng)發(fā)育樹ClustersⅠ分支的MOB細菌與NH4+-N有顯著相關關系.結合系統(tǒng)發(fā)育樹的分析,北運河沉積物中高同源性的MOB細菌主要來自廢水淤泥,高濃度的氨氮也主要來自未經處理的廢污水及污水處理廠排水的匯入,北運河中高濃度的污染物(NH4+-N)是MOB細菌的主要環(huán)境因子,污染物的來源進一步影響了細菌的系統(tǒng)發(fā)育和群落結構.

依據CCA分析,軸1和軸2的解釋變量分別為33.86%和21.86%,前兩個排序軸的總解釋變量為55.72% (圖6).依據Monte Carlo檢驗, NO3--N (0.94)與RDA1的相關性強,NH4+-N (-0.87)、NO2--N (-0.79)和C/N (-0.81)與RDA2的相關性強.北運河樣點主要分布在RDA2軸,與NH4+-N有強響應關系,而密云水庫樣點分布沒有規(guī)律性.依據Mantel檢驗,分析各個環(huán)境因子對微生物群落分布的影響,N和NH4+-N使用Mantel Partial檢驗(TN和NH4+-N有較強相關性)(表5).NH4+-N對北運河沉積物中MOB細菌群落分布有顯著影響(<0.05),而NO3--N和NO2--N對密云水庫沉積物中MOB細菌的影響顯著(< 0.05).Mantel檢驗的結果證明,環(huán)境中氮素的主要存在形態(tài)對MOB細菌群落分布的影響顯著.

外源氮素通過刺激或抑制甲烷氧化菌的活性影響甲烷的氧化過程[53].一般而言,NH4+-N的輸入會抑制甲烷的氧化,因為NH4+與CH4有相似的分子結構,NH4+通過與CH4競爭甲烷氧化酶系統(tǒng)相同的位點,減少甲烷氧化酶的有效性途徑來抑制甲烷氧化菌的氧化作用[54].本研究中,北運河沉積物中NH4+-N對MOB細菌多樣指標及群落分布均有顯著影響.有研究表明,不同的氨氮濃度會對MOB細菌產生不同的抑制作用,低濃度的NH4+-N對氧化作用起到20%的抑制作用,隨著NH4+-N濃度的增加,NH4+-N對微生物氧化速率的抑制作用增強[55-56].齊潤杰等[56]通過向土壤中添加不同濃度的NH4+-N探究NH4+-N濃度的不同對甲烷氧化速率的影響,發(fā)現CH4氧化速率隨NH4+-N濃度的增加而下降,NH4+-N對CH4氧化的抑制率與其濃度呈極顯著正相關.北運河沉積物中高濃度NH4+-N抑制了MOB細菌的氧化速率,由于北運河中NH4+-N濃度顯著高于密云水庫中NH4+-N濃度,NH4+-N對北運河甲烷氧化的抑制率顯著高于密云水庫中NH4+-N對甲烷氧化的抑制率.NH4+-N除對甲烷氧化作用有抑制性之外,還會顯著促進CH4的產生,土壤中NH4Cl的輸入使甲烷的產生率提高了136.7%[21].高濃度的NH4+-N通過抑制甲烷的氧化速率和促進甲烷的產生速率的雙重作用影響了甲烷的產生.因此,氨氮污染嚴重河流中甲烷氣體釋放是值得關注的問題.

表4 MOB細菌多樣性指標與環(huán)境因子Pearson相關性

注:*表示在0.05 水平上顯著相關. **表示在0.01水平上顯著相關;其他無顯著相關.

除NH4+-N對甲烷氧化作用有抑制性外,NO3--N對甲烷的氧化也有直接的抑制作用[53,57]氮的不同存在形態(tài)對甲烷氧化產生不同的影響,且NH4+-N對甲烷氧化的抑制作用顯著強于NO3--N的抑制性作用[58].齊潤杰等[19]通過探究外源氮對5種不同類型的土壤甲烷氧化能力的影響,發(fā)現100(mg/kg)N添加的NO3--N僅對一種土壤有顯著的抑制效果,而相同濃度添加的NH4+能顯著降低5中土壤的氧化速率,抑制率為17.64~35.86%.本研究中,NO3--N是密云水庫沉積物中氮素的主要形態(tài),Pearson相關性、RDA分析及Mantel檢驗均顯示NO3--N與水庫沉積物中MOB細菌有顯著相關關系.由于NO3--N對MOB細菌的抑制作用顯著低于NH4+-N[59],密云水庫中NO3--N對甲烷氧化速率的抑制作用低于北運河中NH4+-N對甲烷氧化的抑制作用.有研究表明,外源NH4NO3的輸入顯著的促進了土壤甲烷的產生速率,導致產生速率提高136.55%[21]. NO3-和NH4+的同時輸入在抑制甲烷氧化作用的同時,會顯著促進甲烷的產生,因此在密云水庫等淡水生態(tài)系統(tǒng)中,不同氮素形態(tài)的輸入對CH4氣體釋放的影響是不容忽視的.

圖6 密云水庫和北運河MOB細菌與環(huán)境因子RDA分析

表5 MOB細菌群落組成與環(huán)境因子相關關系的Mantel檢驗

注:*表示在0.05水平上顯著相關. **表示在0.01水平上顯著相關;其他無顯著相關.

3 結論

3.1 密云水庫與北運河沉積物中氮素的主要形態(tài)存在顯著差異,前者以NO3--N為主,后者以NH4+-N為主,均與兩個研究區(qū)水體中氮素的存在形態(tài)一致.

3.2 氮素形態(tài)的差異對MOB細菌的系統(tǒng)發(fā)育樹和群落結構有影響,兩研究區(qū)域中高同源性菌群的來源與其各自的氮素來源一致,水體中主導的氮素形態(tài)是MOB細菌的主要影響因子.

3.3 MOB細菌群落的共生關系受到水體污染程度的影響,重污染河流中微生物群落相互聯(lián)系更緊密,共生關系更趨于模塊化,微生物更脆弱,對環(huán)境變化的敏感程度更高,更容易受到水質變化以及人類活動的干擾.

3.4 淡水環(huán)境中氮素的存在形態(tài)顯著影響了MOB細菌的群落分布.北運河中高濃度的NH4+-N通過抑制甲烷氧化菌的氧化速率和促進產甲烷速率的雙重作用影響河流甲烷的產生,密云水庫中NO3--N對甲烷氧化速率的抑制性低于北運河中NH4+-N對甲烷氧化的抑制作用.

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Microbial communities differences between aerobic methanotrophs in Miyun Reservoir and North Canal.

LIU Yang1,2, CHEN Yong-juan1, WANG Xiao-yan1,3*, XU Kang-li1,Yang zhi-wei4

(1.College of Resources, Environment and Tourism, Capital Normal University,Beijing 100048, China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing, 100038, China；3.Research Center of Aquatic Environment in the Capital Region, Capital Normal University, Beijing 100048, China；4.Capital Normal University School of Life Sciences, Capital Normal University,Beijing 100048, China)., 2018,38(5)：1844~1854

The aerobic methanotrophs play an important role in mitigating methane emissions and promoting the carbon-nitrogen cycle in the freshwater ecosystems. In this study, the influences of different water pollutant on aerobic methanotrophs were analyzed between the Miyun Reservoir and the North Canal at the Beijing Metropolitan. The results showed that differences of physiochemical between Miyun Reservoir and the North Canal were significantly, especially the main form of nitrogen. The main form of nitrogen in Miyun Reservoir was NO3--N, while NH4+-N dominated in the North Canal. The physicochemical differences caused significantly influences on the MOB bacterial phylogenetic. Phylogenetic analyses revealed that the upstream freshwater highly contribute to the MOB sequences in Miyun Reservoir, and MOB has closely relationship with NO3--N. However, MOB sequences were mainly from activated sludge and wastewater in the North Canal, and MOB closely related with NH4+-N. The different form of nitrogen in these two ecosystems showed significant influences not only on the MOB serious, but also the sources of MOB. Furthermore, the MOB OTUs showed higher modular microbial network in the North Canal than the Miyun Reservoir. The tightly connected species of MOB communities indicated that bacterial community composition was more vulnerable and sensitive to the various disturbances in the North Canal. The different forms of nitrogen influenced the MOB oxidation and MOB inhibitant activity in different extent, the influence of NH4+-N on MOB was stronger than the influence of NO3--N on the Miyun Reservoir. The high concentration of NH4+-N in the city river that would not only inhibitant the MOB bacteria oxidation but also promote the CH4release.

sediment；aerobic methanotrophs；nitrogen；community structure；phylogeny；environmental factors；co-occurrence network

X172

A

1000-6923(2018)05-1844-11

2017-10-26

國家自然科學基金項目(41271495);國家重大水專項(2009ZX07209-001-02)

* 責任作者, 教授, wangxy@cnu.edu.cn

劉 洋(1988-),女,山東棗莊人,首都師范大學碩士研究生,主要從事環(huán)境微生物學研究.發(fā)表論文9篇.