Activity, abundance and community structure of anammox bacteria along depth profiles in three different paddy soils

三種不同水稻土中厭氧氨氧化細菌沿深度剖面的活性、豐度和群落結構

來源：Soil Biology & Biochemistry, Volume 91, 2015, Pages 212-221

《土壤生物學與生物化學》，第91卷，2015年，第212-221頁

 

摘要

論文摘要闡述了通過中宇宙培養實驗研究三種不同水稻土深度剖面中厭氧氨氧化細菌的活性和群落組成。15N示蹤實驗顯示anammox速率在兩種土壤（Binhai和Leizhou）的幾乎所有深度層普遍存在，但在Taoyuan土壤中未檢測到。功能基因hzsB僅在檢測到anammox活性的土壤剖面中發現。Anammox貢獻了總N2生產的0.4%-12.2%，速率與土壤pH和電導率顯著相關。Anammox活性和hzsB基因豐度在表層土壤（0-5 cm）顯著低于亞表層（20-60 cm）。通過克隆測序檢測到Candidatus Brocadia、Candidatus Kuenenia和Candidatus Jettenia，其中Candidatus Brocadia在三種土壤中主導。Anammox細菌16S rRNA基因的操作分類單元數量和多樣性指數隨土壤深度增加。結果表明anammox在堿性土中比酸性土更常見和活躍，在深層水稻土中比表層更活躍，且可能受pH、鹽度和氧化還原電位等土壤化學性質調控。

 

研究目的

研究目的是檢驗anammox在不同類型水稻土中的普遍性，沿深度剖面的變化規律，以及其活性與細菌群落結構的關系。具體假設包括：anammox是否隨土壤條件變化而變化，是否隨土壤深度增加而增加（由于氧氣條件變化），以及anammox性能是否與分子生態特征相關。

 

研究思路

研究思路包括選擇三種水稻土（Binhai堿性土、Leizhou中性土、Taoyuan酸性土），采集不同深度層（0-5 cm、5-20 cm、20-40 cm、40-60 cm）樣本。構建中宇宙培養柱，進行15N同位素示蹤實驗測量anammox和反硝化速率。同時，使用分子方法（如16S rRNA基因和hzsB基因的PCR、克隆測序和定量PCR）分析anammox細菌的群落結構和豐度。測量土壤理化性質（pH、EC、Eh、營養鹽濃度）和溶解氧剖面，以評估環境因子對anammox的影響。

 

測量的數據及研究意義

1 anammox和反硝化速率數據，來自Fig.2和Table 1。研究意義在于量化anammox對N2生產的貢獻（0.4%-12.2%），顯示其在堿性土中活躍但在酸性土中缺失，突出了土壤pH對anammox過程的關鍵調控作用，為理解氮循環提供新視角。

 

 

2 土壤理化性質數據，如pH、EC、Eh、NO3-、NH4+濃度，來自Table 1。研究意義在于揭示環境驅動因子，如anammox速率與pH和EC顯著相關，表明土壤化學條件如何影響anammox細菌的生存和活動，指導農業管理。

3 anammox細菌群落結構數據，通過16S rRNA基因測序，來自Fig.3和Table 2。研究意義在于識別主導屬（如Candidatus Brocadia）和深度對多樣性的影響（OTU數隨深度增加），說明生態位分異和細菌適應策略，有助于預測anammox在不同生境中的分布。

 

 

4 anammox細菌豐度數據，通過hzsB基因定量PCR，來自Table 2。研究意義在于關聯基因拷貝數與活性（顯著相關），驗證分子指標的功能意義，支持anammox潛力的評估。

5 溶解氧濃度剖面數據，使用Unisense電極測量，來自Fig.1。研究意義在于直接證實深層土壤的厭氧條件，解釋anammox活性隨深度增加的機制，強調氧氣可用性的關鍵作用。

 

 

結論

1 anammox過程在堿性和中性水稻土中活躍，但在酸性土中未檢測到，表明土壤pH是主要限制因子。

2 anammox活性和細菌豐度隨土壤深度增加而增加，與氧氣濃度降低相關，支持厭氧環境促進anammox的假設。

3 anammox貢獻總N2生產的比例較低（0.4%-12.2%），反硝化主導氮損失，但anammox在特定條件下不可忽視。

4 anammox細菌群落以Candidatus Brocadia為主，多樣性隨深度增加，反映環境過濾和生態位分異。

5 土壤性質如pH、鹽度和氧化還原電位顯著調控anammox，強調多因子交互作用。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極（O2微電極）測量溶解氧濃度剖面，提供高精度、實時的土壤氧梯度數據。研究意義在于：電極通過微操縱器精確定位，獲得Fig.1所示的深度剖面，顯示氧濃度在表層（0-4 mm）較高但隨深度迅速降至零，驗證了深層土壤的嚴格厭氧條件；這種高分辨率測量直接支持anammox活性在深層更高的發現，因為anammox細菌專性厭氧，氧抑制其代謝。數據證實了土壤Eh與anammox活性的負相關，突出了氧氣可用性作為關鍵調控因子。Unisense電極的可靠性和靈敏度確保了數據準確性，為理解anammox生境需求提供了直接證據，強調了在氮循環研究中監測微環境的重要性。