不同季节冬水田中厌氧氨氧化菌和厌氧甲烷氧化菌的分布特征

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以亚硝酸盐(NO2--N)为电子受体的厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,ANAMMOX)和厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)反应的提出不仅为全球氮、碳循环的研究提供了新思路,而且对温室气体的减排也具有重要意义。自养式的ANAMMOX反应只会将极少量的氧化亚氮(N2O)排放到周围环境;而N-DAMO反应可以将甲烷(CH4)氧化成等摩尔质量的二氧化碳(CO2),明显降低由于等量温室气体排放所造成的温室效应。长期耕作会使得冬水田土壤中含有丰富的有机质,是CH4产生的理想环境;冬水田冬季抛荒会使得氮素因无法吸收以N2O形式流失,从而导致N2O的积累;此外,由于长期淹水,会使得冬水田土壤处于缺氧状态,这就为ANAMMOX菌和N-DAMO菌提供了合适的栖息地。因此,研究不同季节冬水田土壤中ANAMMOX菌和N-DAMO菌的分布特征对减少冬水田生态系统中温室气体的排放和发展乡村绿色农业具有重要意义,并为冬水田可持续发展体系的形成,不断推进耕作土壤肥力的正向演化提供理论依据。本研究以不同季节(夏季和冬季)的常规平作冬水田(CT)和垄作免耕冬水田(RNT)的不同土层(0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm)为研究对象,利用分子生物学和高通量测序等技术,探究了不同季节冬水田土壤中ANAMMOX菌和N-DAMO菌的分布特征。主要研究结果如下:1.不同季节冬水田土壤中ANAMMOX菌的分布特征:夏季常规平作冬水田20~40 cm土层的OTU、Chao1和Ace指数分别为57、64.80和66.46,高于其0~20 cm和40~60 cm土层;冬季常规平作冬水田20~40 cm土层的OTU、Chao1和Ace指数分别为42、43.50和42.92,夏季垄作免耕冬水田20~40 cm土层的OTU、Chao1和Ace指数分别为79、83.00和84.08,均分别高于其0~20 cm和40~60 cm土层。此外,夏季冬水田土壤中的OTU、Chao1和Ace指数均高于冬季。群落结构分析结果表明,在不同季节常规平作冬水田土壤中得到的ANAMMOX菌的OTUs序列均隶属于Candidatus Jettenia sp.属和Candidatus Brocadia sp.属;在不同季节垄作免耕冬水田土壤中得到的ANAMMOX菌的OTUs序列隶属于Candidatus Jettenia sp.属、Candidatus Brocadia sp.属和未明确分类地位的菌属。Student’s T组间差异显著性检验表明,OTU93在冬季垄作免耕冬水田土壤中的丰度极显著高于夏季(p<0.001),OTU122在夏季垄作免耕冬水田土壤中的丰度极显著高于冬季(p<0.001)。由PCA分析可知,PC1和PC2的解释度分别为43.63%和26.23%,累积解释度为69.86%;夏季常规平作冬水田40~60 cm土层与0~20 cm和20~40 cm土层的ANAMMOX菌群落相似性差异较大,冬季垄作免耕冬水田各土层深度土壤中的ANAMMOX菌群落相似性均表现出较大差异;此外,不同季节常规平作冬水田40~60 cm土层中的ANAMMOX菌群落相似性有较大差异,不同季节垄作免耕冬水田土壤中的ANAMMOX菌群落相似性存在较大差异。RDA和相关性热图分析表明,对于不同季节和深度的常规平作冬水田土壤中ANAMMOX菌群落结构影响较大的影响因子是TP、SOM、TK、p H、NO3--N和NH4+-N;对于不同季节和深度的垄作免耕冬水田土壤中ANAMMOX菌群落结构影响较大的影响因子是CEC、TN、SOM、TK、p H、NO3--N和NH4+-N。2.不同季节冬水田土壤中N-DAMO菌的分布特征:将所有测序获得的OTU代表性序列均与NCBI数据库进行比对,剔除掉非N-DAMO菌序列,以保证分析准确性后,不同季节冬水田土壤中的N-DAMO菌的相对丰度基本表现为:40~60 cm>20~40 cm>0~20 cm的规律。Student’s T组间差异显著性检验表明,OTU3863在冬季常规平作冬水田土壤中的丰度显著高于夏季(p<0.05),OTU2890在夏季常规平作冬水田土壤中的丰度显著低于冬季(p<0.001)。由NMDS(stress=0.076)分析可知,不同季节常规平作冬水田土壤中的N-DAMO菌群落相似性有较大的差异,不同季节垄作免耕冬水田土壤中的N-DAMO菌群落相似性也有较大的差异;不同季节垄作免耕冬水田各土层深度土壤中的N-DAMO菌群落相似性均也表现出较大差异。RDA和相关性热图分析表明,对于不同季节和深度的常规平作冬水田土壤中N-DAMO菌群落结构影响较大的影响因子是TP、TN、TK、pH、NO3--N和NH4+-N;对于不同季节和深度的垄作免耕冬水田土壤中N-DAMO菌群落结构影响较大的影响因子是CEC、TN、TP、TK、p H、SOM和SWC。综上可得以下结论:(1)不同季节冬水田土壤中的ANAMMOX菌具有一定的时空异质性。冬水田土壤中20~40 cm土层是较适宜ANAMMOX菌生存的环境。夏季冬水田土壤中ANAMMOX菌的丰富度和生物多样性高于冬季。不同季节垄作免耕冬水田土壤中的ANAMMOX菌的群落组成差异较大。(2)不同季节冬水田土壤中的ANAMMOX菌均隶属于Candidatus Jettenia sp.属和Candidatus Brocadia sp.属。(3)SOM、TK、p H、NO3--N和NH4+-N是影响不同季节冬水田土壤中ANAMMOX菌群落结构和分布的主要环境因子。(4)不同季节冬水田土壤中N-DAMO菌具有一定的时空异质性。冬水田土壤中40~60 cm土层是较适宜N-DAMO菌生存的环境。不同季节冬水田土壤中N-DAMO菌的相对丰度无明显差异,但群落组成差异较大。(5)p H、TN、TP、TK和NO3--N是影响不同季节冬水田土壤中N-DAMO菌群落结构和分布的主要环境因子。
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