珠三角地区典型水产养殖环境中氮素迁移规律及功能微生物群落分析

珠三角地区水产养殖环境氨氮和亚硝酸盐的积累导致了大量病害的发生，是构建绿色水产养殖模式的难点和瓶颈之一。本项目根据氮素迁移理论和微生态研究基础，针对氮素迁移与环境微生物之间的关系，利用稳定同位素示踪法研究氮素迁移的一般规律，并通过稳定同位素探测将微生物研究对象限定在参与氮素迁移的功能微生物中，此外采用分子生物学基因指纹图谱技术，研究氮素迁移过程中功能微生物的群落结构。通过构建功能微生物宏基因组的克隆文库研究微生物群落结构与氮素迁移功能之间的关系，利用FISH及其衍生的各种原位分析技术，研究功能微生物群落在环境中的空间分布和种群丰度，确定各功能微生物群落对氮素迁移的贡献，结合生物信息学分析，研究和预测功能微生物在氮素迁移中的作用，建立微生物群落结构与功能的微生物生态学平台。本研究不仅为珠三角地区水产养殖环境中氨氮和亚硝酸盐的脱除提供理论指导，同时也为绿色水产养殖模式的构建提供重要的科学依据。

珠三角地区水产养殖环境是一个营养相对匮乏的自然生态系统，氨氮和亚硝酸盐在低浓度时即对水产生物有较强的毒害作用，其积累导致了大量病害的发生。在自然生态系统中，这些有害物质被微生物所降解，通过氮的循环途径转化为微生物、植物等所需的营养，达到生物修复的目的。本项目研究了珠三角地区水产养殖环境参与氮素循环的微生物生态学，并将理论成果运用于农业废水的治理，取得了较好的应用效果，产生了较大的经济价值和社会效益。本项目的研究工作基本按照申报书上的年度计划进行，主要取得了以下成果：1）揭示了参与氮素循环的微生物主要包括氨氧化细菌和氨氧化古菌、亚硝酸盐氧化菌、异养硝化细菌、反硝化细菌和固氮菌，其中氨氧化细菌主要来自于β变形菌纲的Nitrosomonas，氨氧化古菌主要来自于奇古菌门的Nitrososphaera，氨氧化古菌的数量是氨氧化细菌的数十倍，但多样性要小于氨氧化细菌，在养殖周期内，氨氧化古菌和细菌的群落结构没有显著性的变化；硝化细菌由α变形菌纲的Nitrobacter组成，对环境中亚硝酸盐的降解起关键作用；除了氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌外，起硝化作用的细菌还包括异养硝化细菌，如Arthrobacter, Alcaligenes等；反硝化细菌的多样性较高，除部分异养硝化细菌外还包括Acinetobacter, Rhodobacter等；固氮菌主要由Azoarcus, Derxia等组成；此外，基于稳定同位素探测技术还发现了具有厌氧氨氧化活性的Planctomyces和固氮作用的甲烷古菌。2）构建了养殖环境的宏基因组文库，基因库容为34万kb，从中筛选了具有亚硝酸盐降解活力的克隆子，并鉴定其插入基因来自于Acinetobacter calcoaceticus。3）筛选了自养和异养硝化细菌，16S rDNA鉴定为Rhodococcus, Nitrobacter等，对一株与Nitrobacter winogradskyi近源的亚硝酸盐氧化菌的发酵培养基进行了优化，使其亚硝酸盐氧化能力提高了50%。4）制备了硝化细菌等多种微生态制剂，以此挂膜启动了一种可移动曝气生物滤池，对多种水产养殖废水具有很好的治理能力；5）此外，发表了15篇学术论文，其中SCI/EI收录5篇，申请了5项发明专利，其中4项得到授权，培养了10名研究生。