蒙古高原沼泽化湿地甲烷及氨氧化菌的空间异质性与环境功能性研究

以蒙古高原干旱区最典型的沼泽化湿地-乌梁素海湖泊湿地为研究对象，结合景观空间异质性，针对湿地土壤甲烷氧化和氨氧化的关键微生物学过程，采用现代微生物分子生态技术，深入研究甲烷氧化菌和氨氧化菌的群落结构及其分布动态，分析该类菌群关键功能基因的多样性及其丰度，厘清甲烷氧化菌和氨氧化菌（好氧和厌氧；细菌和古菌）这类关联菌群相互之间的消长规律，揭示这类功能菌群在湿地沼泽化过程中的环境响应机制；测定甲烷及氨的氧化速率以及甲烷和氧化亚氮生成量，定量评估其控制重要温室气体排放的作用；以期从基质种类多样、微生物功能群及代谢活性的角度，揭示甲烷氧化菌及氨氧化菌的高度空间异质性成因及与其环境功能性的耦合机制；研究成果可完善国际上有关蒙古高原湖泊湿地甲烷氧化菌和氨氧化菌分布、多样性及功能的基础数据，为探索解决我国北方地区湖泊富营养化以及农业面源污染引起的环境问题提供科学依据。

本研究以蒙古高原干旱区最典型的沼泽化湿地—乌梁素海富营养化湖泊湿地为研究对象，结合景观空间异质性，通过传统培养与现代微生物分子生态技术相结合手段，研究了湿地微生物的群落结构及其分布动态，分析了湿地优势菌群的多样性及其丰度。针对湿地土壤氨氧化等关键微生物学过程，研究了关键功能菌的结构与分布，厘清了湿地微生物及关键功能菌群在湿地沼泽化过程中的环境响应机制。本项研究从湿地基质种类多样性、微生物数量及细菌群落结构的角度，揭示了微生物分布的空间异质性成因及与其环境因子的耦合机制。. 本研究结果表明：该富营养化湿地沉积物和土壤中，微生物类群主要包括变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、芽单胞菌门、酸杆菌门。对各门、纲、目、科、属相对含量的分布研究表明，湿地不同植物群落土壤中的主要细菌群落结构表现出明显空间异质性。放线菌门的相对含量随着由湖泊向陆向延伸逐步增加，而拟杆菌门的相对含量逐步减少。变形菌门中δ-变形菌纲在芦苇样点和盐爪爪样点中分布最广，但在碱蓬样点和白刺样点却分别是ε-变形菌纲，γ-变形菌纲分布最为丰富。群落结构空间异质性成因的主要驱动因子为含水率、总氮和总磷，污染因子成为该湿地微生物分布的主导因素。氨氧化细菌在富营养化湖滨水陆过渡带从与Nitrosomonas-like序列相似为主要优势类群向与Nitrosospira-like序列相似为主要优势类群转变，群落结构空间异质性成因主要由总氮和水溶盐总量这两个基质因子所主导。. 本研究提出关于富营养化湖泊沉积物过量氮元素去除的微生物学机制：氨氧化细菌将铵态氮氧化为羟氨，进一步转化为亚硝态氮或硝态氮，这个过程耦合了硫化物的氧化过程，最终以氮气的形式将沉积物中的化合态氮化物转变为气态的氮气排放到大气中，以缓解含有大量氮元素的农田退水排入乌梁素海对其生态系统功能造成的影响。. 本项研究完善了湿地微生物群落的数量、细菌群落分布及多样性的基础数据，甲烷氧化菌新种分离筛选获得突破性进展，对开发湿地微生物资源具有重要的应用价值。为探索解决我国北方地区湖泊富营养化以及农业面源污染引起的环境问题提供科学依据。