铜锈环棱螺在氮循环过程中的应用

铜锈环棱螺在氮循环过程中的应用

0水中周丛生物的筛选广泛分布于淡水中的蜗牛在水生生态系统的物质循环和能量流动过程中起着重要作用。首先,螺类可通过牧食藻类,刺激底栖藻类生长等方式提高水体透明度,促进沉水植物生长近些年来,由于化肥的使用和污水排放等,导致大量氮素进入水中,进而引发水体富营养化附着于岩石、枯枝落叶以及螺、蚌等水中固体表面的周丛生物(Periphyton,在污水处理中称为生物膜)是底栖生态系统养分转化的重要场所铜锈环棱螺(Bellamyaaeruginosa)是淡水中常见螺类,广泛分布于湖泊与河流中,其螺壳表面常附着周丛生物。本研究以铜锈环棱螺及其体表周丛生物为研究对象,进行为期8周的室内模拟试验,探讨活体螺、周丛生物及二者所组成的复合体对水中氮形态和含量的影响,揭示螺-周丛生物复合体参与水体氮转化的初步机理,为螺类在富营养化水体修复中的应用提供科学依据。1材料和方法1.1周丛生物培养2019年6月于巢湖赵家河统一采集试验所需铜锈环棱螺,将螺置于爆气的水中暂养48h(室温25℃),以确保螺类体表附着的周丛生物种类及数量较为一致,挑选个体一致(壳口长1cm),健康的螺体用于试验试验设置见表1,试验持续8周,每组4个重复,期间水一直处于爆气状态(曝气量3.5L·min1.2废水和水质氮指标的测定每周每桶抽取100mL水样,测定氨氮(NH硝氮(NO1.3细菌和微生物的体外药代动力学试验后,每桶抽取100mL水,经0.22μm滤膜过滤,滤膜于-20℃储存,用于水体DNA提取。处理组中,每桶选择3个螺壳或活螺,放入含40mL灭菌水的烧杯中,震荡30min(200r·min参照Zhou对固氮基因(nifH)及硝化反应基因(AOB-amoA、AOA-amoA和nxrA)进行定量分析,细菌AOB-amoA与古菌AOA-amoA均编码氨单氧合酶,nxrA编码亚硝酸盐氧化还原酶。定量PCR在ABIstep-onesystem(AppliedBiosystems,USA)系统下进行。混合反应物体积为10μL:5μLSYBRGreenRealtimePCRMasterMix,0.02μL引物(表2),2μL样本DNA(样品或标准曲线质粒DNA),添加无菌水至10μL。PCR程序:95℃45s,55℃45s,72℃1min循环40次,进行熔融曲线分析。标准曲线R1.4数据分析1.4.1计算不同形状氮的日变化的公式为式中:R为水中氮素日变化量(mg·L1.4.2dunpan法检验差异Excel2007用于计算平均值和标准误;单因素方差分析(ANOVA)用于检验不同处理间差异,随后用Duncan法检验差异是否显著,以上检验均在SPSS17.0中进行;Origin2017用于绘制图表。所有数据均用平均值±标准误表示。2结果与分析2.1形态氮含量的比较试验期间,处理1硝氮和总氮含量显著高于CK(P<0.05),有活体螺的处理2和处理3各形态氮含量均显著高于无活体螺的CK和处理1(图1)(P<0.05)。试验最后,处理2与处理3,亚硝氮分别升高了0.447和0.674mg·L2.2周丛生物的硝态变化图2显示,CK不同形态氮日变化量较小,含量基本稳定。处理组氨氮与亚硝氮均先增加后降低,最终处于稳定状态,但有周丛生物的处理1和处理3只于前14d变化明显,随后到达稳定状态,相较于无周丛生物的处理2,波动幅度更小,变化时间更短;无活体螺的处理1硝氮和总氮只于前期变化明显,而有活体螺的处理2和处理3二者含量则持续增加(图2)。表明,周丛生物缩短了氨氮与亚硝氮的转化周期,加速了二者转化进程,而活体螺则可以持续增加水中硝氮与总氮含量。图3显示,CK组硝氮占总氮比率呈波动态势,处理组则呈上升态势,直至占比呈90%左右时,达到稳定状态。处理组之间,覆有周丛生物的处理1最早到达稳定状态,其次为覆有周丛生物的活螺组处理3,最后为无周丛生物的处理2。除最初外,处理组硝氮占比均高于CK(P<0.05)。结合图2,可以看出,处理组水中氮形态主要为硝态氮,而周丛生物则促进了氨氮和亚硝氮向硝氮的氧化。2.3不同处理的周丛生物nifh基因丰度图4显示,水中,固氮基因(nifH)与硝化基因(nxrA)各组间均无明显差异,但处理组硝化基因(AOA)显著高于对照组(P<0.05)。周丛生物中,各组间nifH基因丰度无显著差异,但硝化基因则显示出较大差异,处理1AOA基因显著高于处理3(P<0.05),有螺的处理2和处理3其AOB基因显著高于处理1(P<0.05),处理1nxrA基因丰度显著大于处理2(P<0.05)。以上结果表明,螺类及周丛生物的存在提高了培养体系中的氮转化基因,促进了水中氮转化。3活螺体的测定结果显示,有活体螺的处理2和处理3硝氮和总氮含量显著高于CK和处理1,且含量持续升高(图1和图2)。表明在培养条件下,活体螺提高了水中的氮含量。此外,相比于无周丛生物CK和处理2,周丛生物的存在(处理1、处理3)缩短了氨氮与亚硝氮向硝氮氧化的进程。3.1nifh基因多度和丰度淡水生态系统中,水生动物能够以分泌和排泄的方式分别释放出无机氮和粪便,可溶性的无机氮可直接被水生植物、藻类和细菌等利用固氮生物可将空气中的氮气转化为生物可利用的氮形态,基因nifH是其多度和丰度的标志基因处理1虽拥有较高的nifH基因丰度,但相较于处理2和处理3,总氮含量只在前期有所增加(图2和图4)。可能原因为,短时内细菌分解凋亡藻类,增加了氮含量,但随时间推移,养分耗尽,细菌活性降低,死亡藻类和周丛生物不能被分解,水体中氮含量不再增加3.2周丛生物的生物活性及生物多样性对水生动物富营养化的响应硝化和反硝化是水中氮转移的主要途径,而周丛生物是硝化和反硝化作用的主要场所之一溶解氧是限制硝化过程的主要因素许多大湖都面临水体富营化问题,富营养化对水生生态系统造成的改变之一就是大型沉水植物的减少水体富营养化的另一危害为藻类过量繁殖,其凋亡会增加水底有机质,导致微生物活动加