典型湿地中comammox的功能及其生态位形成机制研究

Wetland system is known as "the kidney of the earth", where the nitrogen cycle is especially active. Previous studies on ammonia oxidation in wetland systems only focused on the niche differentiation and function of ammonia oxidizing bacteria (AOB) and ammonia oxidizing archaea (AOA). But recently discovered complete ammonia oxidizers (comammox) raised questions about the complete process of nitrogen cycle in wetland systems. In this project, we are going to select three typical wetland systems, including freshwater wetland, coastal wetland and constructed wetland, using high-throughput sequencing, metagenomic technology, transcriptome technology and other molecular biology techniques, to explore the existence of comammox and its contribution to ammoia oxidation in typical wetland systems, in order to supplement original nitrogen cycle. AOA、AOB and comammox will be simulated cultured in laboratory and their interaction will be studied, to explore their niche differentiation and its formation mechanism, and figure out the interactions between these ammonia oxidizing microbes. It’s e expected to improve our understanding of the nitrogen cycle in wetland systems, and provide a new scientific basis for the function and species diversity of wetland systems.

素有“地球之肾”美誉的湿地系统中氮循环相当活跃。以往对湿地系统氨氧化过程的研究仅关注了氨氧化细菌（AOB）和古菌（AOA）的生态位和功能，最近全程硝化菌comammox的发现对湿地系统中完整氮循环过程提出了疑问。本课题拟选取水稻田、淡水沼泽湿地和滨海湿地三类典型湿地为研究对象，采用高通量测序、宏基因组、转录组等分子生物学技术，探究comammox在典型湿地系统中的存在现状和氨氧化贡献，以完善原有的氮循环环节；并通过实验室模拟和菌-菌互作关系研究，探究comammox、AOA和AOB在湿地系统中的生态位分异及其形成机制，搞清湿地系统中氨氧化微生物种间互作关系。以期完善湿地系统中的氮素循环过程，并为湿地的功能和物种多样性提供新的科学依据。

全程硝化菌comammox的发现是近年来生物地球化学领域重要进展，对以往所认知的硝化过程需由氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌合作完成的观点提出了挑战。本课题选取潮间带、水稻田等典型自然和人工湿地生境为研究对象，采用高通量测序、宏基因组、转录组等分子生物学技术，探究了comammox在不同湿地生境中的存在现状和氨氧化贡献，以完善原有的氮循环环节；并通过实验室模拟和菌-菌互作关系研究，探究了comammox、AOA和AOB在生境中的生态位分异及其形成机制，探索了氨氧化微生物种间互作关系。通过研究本项目已圆满完成了计划任务，取得以下成果：1）初步探明comammox在水稻田等生境中的分布特征和贡献，发现comammox在70%土壤样品中占优，平均相对丰度高达63.3%。2）评估了comammox在土壤氨氧化群落和氮循环中的生态地位，证实comammox是陆地生境中丰度最高氨氧化菌的结论可拓展至全球尺度。3）探究了comammox在饮用水厂工艺流程单元中的分布特征和贡献，发现comammox amoA基因在BCOT、RSF和GACF等三个饮用水处理单元中分别占总amoA基因丰度的80%, 97% 和79%，远超AOA和AOB amoA基因丰度。4）探究了comammox在饮用水厂快砂滤池中的分布特征和贡献，发现comammox在水厂快砂滤池中普遍存在，且高表面铵负荷率促进comammox对AOA和AOB的竞争优势。5）探究了滨海湿地氨氧化群落的分布特征和活性，结果表明AOA是舟山潮间带优势的氨氧化菌，comammox在潮间带无法检出。6）探究氮源条件、pH及营养条件对comammox的影响机制，结果表明添加亚硝酸盐可以增加comammox amoA基因占总amoA基因的比例；pH降低，comammox丰度和相对贡献呈明显的上升趋势；comammox通过形成生物膜成功在寡营养条件下生长。7）探究环境因子对氨氧化微生物丰度和群落组成的影响，发现pH和无机氮浓度对氨氧化微生物群落结构具显著影响。本项目目前共发表学术论文12篇，其中被SCI收录8篇；申请/授权专利8项，其中发明专利4项；培养博士研究生2名，硕士研究生3名。