海岸帶微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的研究進(jìn)展

海岸帶微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的研究進(jìn)展

生物多樣性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的功能和服務(wù)非常重要（卡inale，2011；midoly，2012），共生機(jī)制。多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的形成中扮演著重要角色(張全國(guó)和張大勇,2003)。微生物在全球生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著重要功能,其中微生物介導(dǎo)的氮循環(huán)過(guò)程可影響全球變化并對(duì)其作出響應(yīng)(沈菊培和賀紀(jì)正,2011;杜建國(guó)等,2012)。但目前大部分微生物都不能在實(shí)驗(yàn)室中獲得培養(yǎng),因此微生物生態(tài)學(xué)研究多將微生物群落當(dāng)作“黑箱”來(lái)看待?；诜肿訕?biāo)記(如16SrRNA基因、關(guān)鍵酶基因等)的一系列分子方法克服了環(huán)境中大多數(shù)微生物不能成功培養(yǎng)的難題,如今已成為微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性研究的常用工具(郭良棟,2012)。越來(lái)越多的研究證明,微生物的群落結(jié)構(gòu)、多樣性與其功能具有緊密聯(lián)系,在海洋微生物多樣性與氮循環(huán)研究中也不例外(Zehr&Kudela,2011)。新發(fā)現(xiàn)的氮循環(huán)參與者如氨氧化古菌、厭氧氨氧化菌,引發(fā)了對(duì)它們?cè)诓煌鷳B(tài)系統(tǒng)中多樣性、功能與貢獻(xiàn)的進(jìn)一步研究,從而使整個(gè)微生物氮循環(huán)途徑不斷被改寫,使全球氮收支被更新(Bemanetal.,2007;Groβkopfetal.2012)。近年來(lái),有關(guān)海陸交匯帶區(qū)域的氮循環(huán)微生物分子生態(tài)學(xué)研究方興未艾,這與海岸帶生態(tài)系統(tǒng)在全球碳氮循環(huán)中的重要地位及其面臨的若干重大生態(tài)環(huán)境問(wèn)題有一定的關(guān)系。地球上約1/3的海洋初級(jí)生產(chǎn)力來(lái)自大陸架及海岸帶環(huán)境;由于海岸帶區(qū)域(河口、潮灘、濕地、淺海等)水位較淺,浮游植物產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)約50%沉到海底,并且大部分被沉積物中的微生物所分解,因此海岸帶沉積物在全球物質(zhì)循環(huán)中起著重要的作用(J?rgensen,1996)。沉積物中微生物的活動(dòng)在很大程度上控制著海洋生物可利用氮的輸入和輸出,進(jìn)而對(duì)初級(jí)生產(chǎn)發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用(Driscoll,2003)。海岸帶生境雖各有特色,但在空間上呈網(wǎng)絡(luò)式聯(lián)系,微生物轉(zhuǎn)化氮的步驟雖較多但也常緊密耦合,因此,需要全景式地展示海岸帶系統(tǒng)中氮循環(huán)微生物的多樣性、功能與貢獻(xiàn)。最近,我們綜述了近海沉積物中微生物氮轉(zhuǎn)化過(guò)程的速率、通量、豐度及調(diào)控機(jī)制(龔駿和張曉黎2013),本文則重點(diǎn)介紹以分子標(biāo)記為主要手段的研究成果,總結(jié)海岸帶沉積物中固氮、氨氧化、反硝化、硝酸鹽銨化和厭氧氨氧化功能類群的物種與功能多樣性、群落組成特征及時(shí)空變化規(guī)律。1海洋近岸沉積環(huán)境中固氮生物群落及多樣性30年前,一般認(rèn)為海洋環(huán)境中底棲微生物固定的氮貢獻(xiàn)了大部分的“新”氮(15TgN/yr),而水體中浮游細(xì)菌固定的氮只占一小部分(4.8TgN/yr)(Capone&Carperter,1982)。此后浮游固氮微生物的研究對(duì)其固氮貢獻(xiàn)的估計(jì)提高了約20–40倍(Karletal.,2002)。近來(lái),利用改進(jìn)同位素示蹤法(Mohretal.,2010)測(cè)定固氮速率的結(jié)果顯示,海洋微生物的固氮貢獻(xiàn)被大大低估。新老方法在結(jié)果上的差異與微生物群落組成相關(guān)(Groβkopfetal.,2012),因此底棲固氮微生物的多樣性及其貢獻(xiàn)有待重估。海洋環(huán)境中固氮微生物種類眾多,根據(jù)16SrRNA基因的分析,藍(lán)細(xì)菌/藍(lán)藻(Cyanobacteria)、α-,β-,γ-,δ-變形菌綱(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)的多個(gè)類群是近岸底棲環(huán)境中常見(jiàn)的固氮菌。除細(xì)菌之外,某些甲烷氧化古菌(ANME-2)同樣具有固氮作用(Miyazakietal.,2009)。由于固氮菌各類群間親緣關(guān)系較遠(yuǎn),基于16SrRNA基因的分析不能反映它們的功能,而固氮酶鐵蛋白基因(如nifH)較為保守,且已知的nifH基因序列非常豐富,因此nifH成為研究環(huán)境樣品中固氮菌多樣性最常用的分子標(biāo)記。根據(jù)nifH的系統(tǒng)發(fā)育可將固氮微生物分為5個(gè)主要的類群(ClustersI–V),每一類群又分成若干子類,與固氮菌16SrRNA基因具有較好的類群對(duì)應(yīng)關(guān)系(Zehretal.,2003;Raymondetal.,2004)。海洋沉積物中的固氮菌主要隸屬于ClusterI與III兩個(gè)類群:其中ClusterI包括所有的藍(lán)細(xì)菌、大部分的變形菌、放線菌(Actinobacteria)和部分厚壁菌;ClusterIII則主要包括厭氧細(xì)菌和古菌,如螺旋體(Spirochetes)、產(chǎn)甲烷菌(Methanogens)、產(chǎn)乙酸菌(Acetogens)、硫酸鹽還原菌(Sulfate-reducingbacteria)、綠硫菌(Chloracea)、梭菌(Clostridia)等(Zehretal.,2003;Gaby&Buckley,2011)。對(duì)不同環(huán)境中nifH基因序列的系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn):海洋環(huán)境中nifH基因的多樣性低于土壤環(huán)境(Gaby&Buckley,2011)。大洋水體中的固氮菌主要由絲狀的束毛藻(Trichodesmium)及單細(xì)胞藍(lán)細(xì)菌組成(Zehr,2001;Davis&McGillicuddy,2006),而海洋近岸沉積環(huán)境中的固氮菌群落與多樣性則具有明顯的生境特異性(表1)。我們分別將潮間帶、河口、鹽沼、紅樹林、海草藻床、珊瑚礁等生境中固氮微生物類群特點(diǎn)總結(jié)如下。(1)潮間帶。在光照充足的潮間帶及無(wú)海草生長(zhǎng)的淺海沉積物中,藍(lán)細(xì)菌豐富的微生物席固氮效率極高,因此是近岸固氮微生物多樣性研究的熱點(diǎn)之一(龔駿和張曉黎,2013)。微生物席中的固氮菌呈現(xiàn)明顯的晝夜變化特征:白天藍(lán)細(xì)菌類群固氮活性較高,而夜晚γ-變形菌或變形菌類的固氮活性達(dá)到峰值(Severinetal.,2010;Beltránetal.,2012)。不同鹽度梯度環(huán)境的微生物席中的微生物組成及多樣性區(qū)別明顯,而季節(jié)性差別則較小(Bolhuis&Stal,2011)。(2)河口區(qū)。河口區(qū)固氮菌群落組成類似于微生物席和鹽沼(Zehretal.,2003)。在河口沉積物中,γ-變形菌中的Azotobacter(ClusterIE)較為常見(jiàn)(Burnsetal.,2002;Ravikumaretal.,2004;Alikunhietal.,2010)。另外,在美國(guó)切薩皮克灣和紐斯河口的研究中發(fā)現(xiàn)大量的ClusterIJ與ClusterIKα-變形菌,以及ClusterIP與ClusterIUβ-,γ-變形菌;兩個(gè)河口的沉積物中都有ClusterIII的固氮微生物,且都未發(fā)現(xiàn)具有固氮活性的古菌存在,但其微生物組成仍有一定差異(Affourtitetal.,2001;Burnsetal.,2002)。Short和Zehr(2007)的研究還表明,盡管切薩皮克灣固氮菌nifH基因多樣性較高,但只檢測(cè)到2個(gè)藍(lán)細(xì)菌的基因型,即柱胞魚腥藻(Anabaenacylindrica)與單細(xì)胞藍(lán)細(xì)菌GroupA。(3)鹽沼、海草海藻床、紅樹林。在這類環(huán)境中,植物殘?bào)w及根分泌的有機(jī)碳為固氮菌提供了碳源,因此固氮菌種類豐富(表1),反過(guò)來(lái)又為植物生長(zhǎng)提供了氮源。鹽沼是陸海交互帶的一種重要濕地類型,有大量耐鹽植物生長(zhǎng),這種環(huán)境下的固氮微生物群落組成基本穩(wěn)定,但可能因不同的植被覆蓋而表現(xiàn)出差異(Bergholzetal.,2001;Lovelletal.,2001)。利用DGGE技術(shù)對(duì)鹽沼植物互花米草(Spartinaalterniflora)根際的nifH基因分析表明,其固氮微生物群落結(jié)構(gòu)受季節(jié)變化的影響,這主要是因?yàn)榧竟?jié)變化導(dǎo)致植物根系釋放碳和離子的差異,進(jìn)而引起土壤理化條件的改變,從而影響沉積物中微生物的群落結(jié)構(gòu)(Gambleetal.,2010)。另外,短期擾動(dòng)(如營(yíng)養(yǎng)鹽添加、遮蔭等)對(duì)鹽沼植物根際固氮活性及固氮菌群落組成的影響并不明顯,而長(zhǎng)期施肥雖然對(duì)固氮菌群落結(jié)構(gòu)的影響顯著,但對(duì)物種組成改變不明顯,這顯示了根際固氮類群的穩(wěn)定性和對(duì)生境的適應(yīng)(Bagwell&Lovell,2000)。此外,外來(lái)物種的入侵及地域的差異對(duì)濕地固氮微生物組成及其固氮活性也有著不同的影響(Mosemanetal.,2008)。紅樹林固氮菌的群落組成和豐度受地域、營(yíng)養(yǎng)鹽狀況、季節(jié)和紅樹樹種的影響(Thatoietal.,2013)。Ravikumar等(2004)研究發(fā)現(xiàn),固氮菌Azotobacter屬是皮恰瓦蘭紅樹林沉積物中最常見(jiàn)且豐度最高的固氮類群。澳大利亞紅樹林沉積物中固氮菌的活性在強(qiáng)降雨量季節(jié)比弱降雨量季節(jié)高(Adameetal.,2010)。在海草根際,根瘤菌、梭菌及硫酸鹽還原菌均具有明顯的固氮活性(Kirshteinetal.,1991;Smithetal.,2004),其中硫酸鹽還原菌的固氮貢獻(xiàn)尤為突出。(4)珊瑚礁。Hewson和Fuhrman(2006)利用T-RFLP技術(shù)對(duì)珊瑚礁區(qū)沉積物中固氮菌類群進(jìn)行的群落指紋圖譜分析顯示,nifH基因多樣性在不同站點(diǎn)間相似性較低,這可能是由于受浪濤及沉積物深度的影響。Hewson等(2007)在大堡礁的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),nifH基因序列大多與沉積物、微生物席、表層水來(lái)源的序列相似性較高,只有少量序列與典型的開闊海域類群相似;而nifH的轉(zhuǎn)錄本則全部來(lái)自藍(lán)細(xì)菌,且包含來(lái)自開闊海域的基因型。因此他們推斷,珊瑚礁區(qū)浮游細(xì)菌中的固氮菌類群可能來(lái)自沉積物、珊瑚自身或巖石表面,開闊海域的藍(lán)細(xì)菌類群在珊瑚礁區(qū)氮循環(huán)中扮演重要角色。Olson等(2009)在夏威夷的研究表明,珊瑚蟲體內(nèi)共生的固氮菌包括α-,β-,γ-,δ-變形菌與藍(lán)細(xì)菌(ClusterI),以γ-變形菌綱中的弧菌屬(Vibrio)為主。近海沉積物中的固氮菌多樣性也表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性。Moisander等(2007)利用nifH基因芯片分析美國(guó)切薩皮克灣沉積物的固氮菌群落發(fā)現(xiàn):nifH基因的豐富度、Simpson及Shannon指數(shù)在河頭(低鹽度)最高,呈現(xiàn)由河頭(低鹽度)至河口(較高鹽度)漸變的趨勢(shì);并與溶解無(wú)機(jī)氮、鹽度、溶解有機(jī)碳、溶解有機(jī)磷等環(huán)境因子顯著相關(guān)。在歐洲的很多河口環(huán)境中,藍(lán)細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)類群主要為浮游生的節(jié)球藻屬(Nodularia)、束絲藻屬(Aphanizomenon)、微囊藻屬(Microcystis)與魚腥藻屬(Lopes&Vasconcelos,2011);而Brito等(2012)在葡萄牙西南海岸潮間帶沉積物中卻發(fā)現(xiàn),在藍(lán)細(xì)菌的4個(gè)目(色球藻目、寬球藻目、顫藻目與念珠藻目)中,顫藻目的種類占主導(dǎo)(50%左右)。此外,近海漏油區(qū)的固氮微生物多樣性也非常值得關(guān)注。石油的有氧降解通常受到嚴(yán)重的氮源限制,因此微生物固氮可能在海底漏油區(qū)發(fā)揮重要作用。Musat等(2006)室內(nèi)模擬了石油污染后海底沉積物中固氮菌群落結(jié)構(gòu)變化,發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)固氮菌在含油沉積物中出現(xiàn)的頻率更高;而在光照條件下,主要是產(chǎn)生異形胞的藍(lán)細(xì)菌具有固氮活性,而異養(yǎng)固氮菌并不活躍。因此推測(cè),在氮限制與光照條件下,藍(lán)細(xì)菌是石油污染區(qū)及未污染區(qū)沉積物中固氮的主要貢獻(xiàn)者,盡管在污染區(qū)其固氮能力并無(wú)提高,但具有石油降解功能的微生物仍有可能從藍(lán)細(xì)菌固氮中獲得氮源。2aop基因序列及環(huán)境來(lái)源的系統(tǒng)研究氨被氧化形成亞硝酸鹽與硝酸鹽的過(guò)程主要由化能自養(yǎng)型微生物完成。所有的氨氧化菌都含有編碼催化氨氧化第一步反應(yīng)的氨單加氧酶基因(amo)。在2004年之前,變形菌綱中具有amo基因的類群一直被認(rèn)為是該過(guò)程的主要催化者,但隨后在海洋等多個(gè)環(huán)境宏基因組中發(fā)現(xiàn)奇古菌(Thaumarchaeota)(舊稱泉古菌,張麗梅和賀紀(jì)正,2012)也具有amo基因(Venteretal.,2004)。海洋中氨氧化古菌(AOA)普遍存在且通常占優(yōu)勢(shì),因此奇古菌是海洋氨氧化過(guò)程的重要參與者(Francisetal.,2005;K?nnekeetal.,2005)。利用氨單加氧酶α亞基基因(amoA)作為分子標(biāo)記可研究氨氧化菌(AOB)及AOA在環(huán)境中的多樣性、群落組成及數(shù)量。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育分支,AOB主要包括β-變形菌綱的亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)與亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)以及γ-變形菌綱的亞硝化球菌屬(Nitrosococcus),其中β-AOB在海洋、土壤、淡水環(huán)境中廣泛分布,已培養(yǎng)的種類包括Nitrosomonaseuropaea,N.marina,N.aestuarii,N.cryotolerans,N.oligotropha,N.ureae等;而γ-AOB的兩個(gè)種(Nitrosococcusoceani與N.halophilus)僅在海洋與鹽湖有個(gè)別報(bào)道,在河口與鹽沼中很少見(jiàn)到,在淡水環(huán)境則幾乎沒(méi)有(Wardetal.,2007)。這可能與引物特異性有關(guān),也可能說(shuō)明亞硝化球菌屬在環(huán)境中確實(shí)較少存在。AOA的多樣性具有明顯的環(huán)境來(lái)源特異性,可大致分為海洋環(huán)境、土壤環(huán)境及嗜高溫氨氧化古菌三大類(Prosser&Nicol,2008)。其中海洋環(huán)境的AOA序列主要屬于GroupI.1a,代表物種有Nitrosopumilusmaritimus,Cenarchaeumsymbiosum,Nitrososphaeragargensis;而土壤來(lái)源的序列大多聚類于GroupI.1b(Schleperetal.,2005)。對(duì)所有環(huán)境來(lái)源的AOA-amoA及AOB-amoA基因序列的系統(tǒng)研究顯示:AOA系統(tǒng)發(fā)育豐富度(phylogeneticrichness)高于AOB,淡水環(huán)境高于海洋環(huán)境;AOA類群在沉積物、土壤、浮游環(huán)境間的分異明顯,而AOB則不明顯(FernàndezGuerra&Casamayor,2012)。以下我們總結(jié)了海岸帶不同生境氨氧化菌的多樣性及分布情況。2.1aod群落組成一般地,河口區(qū)沉積物與水體樣品中共有的基因型很少(Francisetal.,2005)。(1)AOB群落。鹽度被認(rèn)為是控制河口區(qū)AOB豐度與多樣性最主要的因素,在高鹽度環(huán)境中AOB大部分屬于亞硝化螺菌屬;低鹽度和中鹽度站點(diǎn)的AOB則主要隸屬于亞硝化螺菌屬相關(guān)類群以及亞硝化單胞菌屬(Bernhardetal.,2005)。Sahan和Muyzer(2008)發(fā)現(xiàn)在韋斯特謝爾德河口,低鹽站點(diǎn)AOB的多樣性較高鹽站點(diǎn)高。其次,溫度也是影響AOB的重要因素。同樣是在韋斯特謝爾德河口,亞硝化單胞菌屬在高溫樣品中占優(yōu)勢(shì),而亞硝化螺菌屬則主要出現(xiàn)在低溫樣品中(Sahan&Muyzer,2008)。第三,硝化速率可能與河口區(qū)AOB的群落構(gòu)成顯著相關(guān)。Wankel等(2011)對(duì)加利福尼亞河口沉積物的研究發(fā)現(xiàn):硝化速率高的站點(diǎn)AOB主要由亞硝化螺菌屬相關(guān)的基因型組成,而在硝化速率低的站點(diǎn)則主要與亞硝化單胞菌屬相關(guān)。第四,富營(yíng)養(yǎng)化也會(huì)對(duì)河口沉積物AOB的群落組成產(chǎn)生影響。例如墨西哥富營(yíng)養(yǎng)化的BahíadelTóbari河口以亞硝化單胞菌相關(guān)類群為主(Beman&Francis,2006),且站點(diǎn)間變化不大。在富營(yíng)養(yǎng)化的膠州灣,AOB群落組成與亞硝氮及沉積物粒徑顯著相關(guān)(Dangetal.,2010)。(2)AOA群落。鹽度是影響河口沉積物AOA群落的重要因素。Mosier和Francis(2008)在對(duì)舊金山灣沉積物AOA的統(tǒng)計(jì)分析中發(fā)現(xiàn),來(lái)自低鹽河口區(qū)的AOA聚到一起,形成了獨(dú)特的低鹽群。在澳大利亞熱帶菲茨羅伊河口,AOA主要來(lái)源于沉積物與土壤環(huán)境的奇古菌,且其群落結(jié)構(gòu)與站點(diǎn)的鹽度、碳、氮含量密切相關(guān),季節(jié)變化不明顯?？傊?在環(huán)境條件復(fù)雜的河口環(huán)境中,影響AOA與AOB的多樣性與群落結(jié)構(gòu)的主要因素隨地理區(qū)域的不同而有所不同,但一般認(rèn)為鹽度、溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽、污染物等均是重要的影響因子。2.2香港林木群落組成和多樣性鹽沼沉積物中的AOB通常主要由亞硝化螺菌屬的相關(guān)類群組成,如新英格蘭鹽沼互花米草與狐米草(Spartinapatens)區(qū)(Moinetal.,2009)和緬因州鹽沼區(qū)(Lageetal.,2010);而AOA則隸屬于水樣/沉積物或土壤/沉積物來(lái)源的類群,可能與奇古菌GroupI.1b類群緊密相關(guān)(Moinetal.,2009)。紅樹林對(duì)沉積物中AOA和AOB的影響可能是不同的。香港紅樹林沉積物中,AOA主要分為表層和底層兩大類;而AOB卻分為近紅樹林和遠(yuǎn)紅樹林群。而且,AOB比AOA具有更高的豐度,可能暗示AOB在紅樹林硝化作用過(guò)程中扮演重要角色(Lietal.,2011b)。沉積物鹽度、氨濃度、金屬及pH都會(huì)對(duì)紅樹林AOB和AOA群落組成和多樣性產(chǎn)生影響(Lietal.,2011b;Caoetal.,2011)。2.3親緣關(guān)系和檢測(cè)限Beman等(2007)研究發(fā)現(xiàn),巴拿馬9種珊瑚礁中的AOA多樣性較高,且多與海岸/河口沉積物、大洋水體中的AOA序列親緣關(guān)系較近,而AOB的amoA基因則低于檢測(cè)限。另外,大型底棲動(dòng)物能顯著影響沉積物–水界面的氧分布,導(dǎo)致微生物群落改變,多樣性增高(Laverocketal.,2010),但AOB與AOA的總豐度不變,只是AOB與AOA的比率有所增高(Gilbertsonetal.,2012)。3反硝化菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性反硝化是NO3–在低氧情況下被還原為NO2–、NO后進(jìn)一步還原為N2O與N2的過(guò)程,參與的微生物包括細(xì)菌、古菌和真核生物。反硝化過(guò)程可去除人類活動(dòng)給海岸帶環(huán)境帶來(lái)的多余的氮,從而減少水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象,因此在海岸帶環(huán)境中起重要作用。另外,反硝化產(chǎn)生的溫室氣體N2O也是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一(龔駿和張曉黎,2013)。從分類上來(lái)看,反硝化功能微生物多為異養(yǎng)兼性厭氧細(xì)菌,包括變形菌門、產(chǎn)水菌門(Aquificae)、異常球菌–棲熱菌門(Deinococcus-Thermus)、厚壁菌門、放線菌、擬桿菌(Bacteroides)中的一些種類,其中假單胞菌屬(Pseudomonas)和芽孢菌屬(Bacillus)普遍存在于海洋生態(tài)系統(tǒng)中。某些海洋真菌與古菌也具有反硝化功能(Shounetal.,1992;Philippot,2002)。一般認(rèn)為反硝化細(xì)菌分布最為廣泛且在大多數(shù)環(huán)境中為優(yōu)勢(shì)類群,因此對(duì)反硝化功能微生物的研究大多聚焦于反硝化細(xì)菌。與其他氮循環(huán)功能類群一樣,一般通過(guò)功能基因來(lái)研究反硝化菌在環(huán)境中的多樣性與分布。反硝化過(guò)程涉及的重要酶有60多種,但其中常用的分子標(biāo)記主要為:硝酸還原酶的編碼基因narG與napA,亞硝酸還原酶的編碼基因nirS與nirK,一氧化氮還原酶的編碼基因norB,以及氧化亞氮還原酶的編碼基因nosZ(Zumft,1997)。鹽度、pH、NO3–與NO2–濃度及有機(jī)物可利用度被認(rèn)為是影響反硝化菌群落組成與多樣性的主要環(huán)境因子,其中以鹽度和pH的影響最為顯著(Priemeetal.,2002;Enwalletal.,2005;Santoroetal.,2006;Mosier&Francis,2010)。nirK與nirS編碼的亞硝酸還原酶雖然結(jié)構(gòu)不同但功能一致,環(huán)境條件如何影響nirS型與nirK型反硝化群落的結(jié)構(gòu)與多樣性是研究的熱點(diǎn)之一。Jones和Hallin(2010)對(duì)全球分布的nirS型與nirK型反硝化菌的數(shù)據(jù)分析顯示,盡管nirS型與nirK型的反硝化菌在不同的環(huán)境中可共存,但它們的群落形成機(jī)制并不一樣。海洋環(huán)境中nirK的多樣性最高,高于土壤,也高于nirS;但nirS在環(huán)境梯度上的變化比nirK更為明顯。硝酸鹽和溶氧水平與反硝化細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)(Liuetal.,2003)。Nogales等(2002)利用反轉(zhuǎn)錄PCR(RT-PCR)技術(shù)對(duì)英國(guó)科恩河口中游和上游沉積物的研究發(fā)現(xiàn),硝酸鹽水平差異較大的兩種沉積物中各基因類群(narG,napA,nirS,nirK,nosZ)均具有不同的群落結(jié)構(gòu)。我國(guó)珠江口nirS型反硝化細(xì)菌的空間分布則與溶解無(wú)機(jī)氮濃度顯著相關(guān)(Huangetal.,2011)。在富營(yíng)養(yǎng)化的英國(guó)科恩河口,narG基因序列主要來(lái)源于δ-變形菌(Smithetal.,2007)。浮游植物存量、金屬離子及垂直方向上的氧化還原梯度也影響沉積物中反硝化菌的時(shí)空分布。澳大利亞熱帶河口沉積物中nirS多樣性及豐度均明顯高于nirK,且其群落結(jié)構(gòu)隨季節(jié)而發(fā)生變化,并與鹽度和葉綠素顯著相關(guān)(Abelletal.,2009)。葡萄牙杜羅河河口沉積物中,nirK,nirS和nosZ的多樣性隨著Cu含量的增加而降低(Magalh?esetal.,2011)。舊金山灣每個(gè)站點(diǎn)nirS的豐度都比nirK高,鹽度、有機(jī)碳、氮與金屬離子是影響群落結(jié)構(gòu)的主要因子(Mosier&Francis,2010)。Tiquia等(2006)研究發(fā)現(xiàn),在沉積物垂直方向上,隨著深度的增加,沉積物中nirS多樣性降低,并且表層與深層沉積物中的群落結(jié)構(gòu)差異顯著。最近的研究顯示,古菌基因組中包含有無(wú)機(jī)氮還原的相關(guān)功能基因,例如奇古菌中nirK的同源基因(Lundetal.,2012)。硝酸鹽還原酶(Nar)、亞硝酸鹽還原酶(Nir)在一些奇古菌與廣古菌的基因組中已有發(fā)現(xiàn),但這些基因的功能仍有待確證。沉積物中的某些真菌與原生生物類群(如底棲有孔蟲)也被發(fā)現(xiàn)具有反硝化功能(Risgaard-Petersenetal.,2006;Cathrine&Raghukumar,2009;Kimetal.,2009)。但海洋沉積物環(huán)境中反硝化真核微生物多樣性的研究還有待深入開展。4淡水點(diǎn)火沉積物中dnra功能菌的群落結(jié)構(gòu)在厭氧狀態(tài)下,細(xì)菌、古菌、真菌的某些種類能將硝酸鹽還原為銨,即介導(dǎo)硝酸鹽銨化過(guò)程(DNRA)。細(xì)胞周質(zhì)硝酸鹽還原酶基因(nrfA)是硝酸鹽銨化細(xì)菌多樣性研究的一個(gè)分子標(biāo)志物,在變形菌門的多個(gè)綱、擬桿菌門(Bacteroidetes)、浮霉菌目(Planctomycetales)、厚壁菌門中均有檢獲(Mohanetal.,2004)。據(jù)報(bào)道,一些兼性厭氧的化能自養(yǎng)型硫細(xì)菌如貝扎托菌屬(Beggiatoa)、辮硫菌屬(Thioploca)能將NO3–聚集于胞內(nèi)的空泡內(nèi)并用于H2S的厭氧氧化,從而發(fā)揮DNRA功能(Sayama,2001)。Takeuchi(2006)首次對(duì)環(huán)境樣品中的nrfA基因進(jìn)行克隆與分析后發(fā)現(xiàn),在河口區(qū)海水與淡水站點(diǎn)沉積物中DNRA功能菌的群落結(jié)構(gòu)與半咸水站點(diǎn)明顯不同。沉積物深層的多樣性較低,種類多來(lái)自氣單胞菌(Aeromonas)、希瓦氏菌(Shewanella)、脫硫弧菌(Desulfovibrio)、硫磺單胞菌屬(Sulfurospillum)與擬桿菌屬(Bacteroides)的相關(guān)類群。在英國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化的科恩河口,DNRA類群主要隸屬于δ-變形菌,也有少量來(lái)自γ-變形菌,如冷海希瓦氏菌(Shewanellafrigidimarina)、褐桿狀綠菌(Chlorobiumphaeobacteroides)以及厭氧氨氧化和硫酸鹽還原泥漿反應(yīng)器中的一些類群(Smithetal.,2007)。另外,一些厭氧氨氧化細(xì)菌(如Ca.Kueneniastuttgartiensis)能在高NH4+濃度條件下(如10mM)將NO3–還原成NH4+,即介導(dǎo)DNRA過(guò)程(Kartaletal.,2007)?？傊?雖然對(duì)不同海岸帶環(huán)境中DNRA速率的研究較多(龔駿和張曉黎,2013),但相對(duì)其他氮循環(huán)功能類群而言,對(duì)硝酸鹽銨化細(xì)菌多樣性的研究還較少。有些真菌能在供氧充足的情況下行有氧呼吸,而在無(wú)氧狀態(tài)下可將NO3–還原為NH4+,這個(gè)過(guò)程又被稱為氨發(fā)酵(ammoniafermentation)(Zhouetal.,2002)。尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)是真菌中行DNRA功能的代表種類。另外,具有DNRA功能的真菌還包括很多子囊菌,如籃狀菌(Talaromycesrotundus)、紅色毛癬菌(Trichophytonrubrum)、滴斑彼得殼菌(Petriellaguttulata)、京都麗赤殼菌(Calonectriakyotensis)、黑木霉菌(Hypocreanigricans)、菌寄生菌(Hypomycestrichothecoides)、粗糙脈孢菌(Neurosporacrassa)、苔蘚柱孢菌(Cylindrocarpontonkinense)、騰倉(cāng)赤霉(Gibberellafujikuroi)和林氏鐮孢菌(Fusariumlini)等(Zhouetal.,2002)。有關(guān)海洋環(huán)境中具有DNRA功能真菌的多樣性及分布的研究尚較少見(jiàn)到。5微生物多樣性及生態(tài)影響因素與古菌有氧氨氧化的發(fā)現(xiàn)相同,厭氧氨氧化過(guò)程的發(fā)現(xiàn)徹底改變了人們對(duì)氮循環(huán)的認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)已知介導(dǎo)厭氧氨氧化過(guò)程的細(xì)菌在各類含水環(huán)境中廣泛存在(Pentonetal.,2006)。按16SrRNA基因的系統(tǒng)發(fā)育分析,厭氧氨氧化細(xì)菌主要隸屬于浮霉菌門(Planctomycetes)中的Brocadiales目,包括5個(gè)暫定屬:Ca.Scalindua,Ca.Brocadia,Ca.Kuenenia,Ca.Jettenia與Ca.Anammoxoglobus,目前還沒(méi)有獲得純培養(yǎng)物(Kuenen,2008)。針對(duì)厭氧氨氧化細(xì)菌16SrRNA基因的特異性引物與探針最早設(shè)計(jì)出來(lái)并不斷優(yōu)化,已廣泛用于該功能菌的檢測(cè)、多樣性與定量研究(Lietal.,2010);此后,針對(duì)厭氧氨氧化過(guò)程中關(guān)鍵酶基因(如聯(lián)氨氧化還原酶基因hzo,厭氧氨氧化細(xì)菌特有的亞硝酸還原酶基因nirS,聯(lián)胺合成酶基因hzsA,hzsB)的分子檢測(cè)方法也陸續(xù)發(fā)展起來(lái),給環(huán)境中厭氧氨氧化細(xì)菌的多樣性、生理生態(tài)研究帶來(lái)諸多便利(Schmidetal.,2008;Lietal.,2011c;Harhangietal.,2012;Wangetal.,2012)。雖然厭氧氨氧化細(xì)菌在海洋厭氧環(huán)境(沉積物和水體)中廣泛分布,但其多樣性較低,通常只可檢測(cè)到Ca.Scalindua屬(Schmidetal.,2007)。相比之下,厭氧氨氧化速率及對(duì)脫氮的貢獻(xiàn)隨環(huán)境變化較大,因而更受關(guān)注。厭氧氨氧化菌多樣性在河口區(qū)變化較大,鹽度是影響厭氧氨氧化菌分布的主要因子之一。在高鹽站點(diǎn)多檢出Ca.Scalindua屬,低鹽站點(diǎn)多檢出Ca.Kuenenia和Ca.Brocadia屬(Daleetal.,2009)。在鹽沼沉積物中也只檢測(cè)到Ca.Scalindua屬(Humbertetal.,2009)。而在受潮汐影響較大的珠江河岸沉積物中,Ca.Kuenenia和Ca.Brocadia為優(yōu)勢(shì)類群(Wangetal.,2012)。由于受季節(jié)性陸源輸入的影響,河口區(qū)厭氧氨氧化細(xì)菌群落也表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律:夏季時(shí)多樣性較高(Lietal.,2011a)。紅樹林沉積物中厭氧氨氧化菌群落結(jié)構(gòu)受紅樹林的影響非常大,Li等(2011a,d)在珠江口紅樹林沉積物不同土層中檢測(cè)到了厭氧氨氧化細(xì)菌的4個(gè)屬(Ca.Scalindua、Ca.Kuenenia、Ca.Brocadia和Ca.Jettenia),推斷氧化還原電位、氨氮與亞硝氮的摩爾比是主要的影響因子(Lietal.,2011a,d)。污染物類型和污染狀況也是影響海岸帶厭氧氨氧化菌的重要因子。在東?；瘜W(xué)污染嚴(yán)重的膠江灣,潮間帶的厭氧氨氧化細(xì)菌主要為Ca.Kuenenia,而潮下帶則還包括Ca.Brocadia,Ca.Scalindua與Ca.Jettenia這3個(gè)屬。冗余分析表明厭氧氨氧化細(xì)菌的分布與多樣性受硝基苯、有機(jī)物含量、NO3–及鹽度的影響(Huetal.,2012)。在富營(yíng)養(yǎng)化的膠州灣,沉積物中只檢測(cè)到Ca.Scalindua一個(gè)屬,但其屬下水平的多樣性較高,群落結(jié)構(gòu)受有機(jī)碳氮比、亞硝酸鹽濃度和沉積物粒徑的影響較大(Dangetal.,2010)。值得一提的是,雖然國(guó)內(nèi)同行對(duì)我國(guó)海岸帶環(huán)境中的厭氧氨氧化細(xì)菌多樣性及分布雖已做了大量出色工作,但有關(guān)速率與通量方面的研究還較缺乏。6海岸帶沉積物氮循環(huán)微生物多樣性研究的展望綜上所述,參與海岸帶沉積物中氮循環(huán)的微生物類群多樣,其中雖有少數(shù)已成功培養(yǎng)的代表種類,但大多數(shù)種類仍屬于未培養(yǎng)狀態(tài);對(duì)氮循環(huán)功能類群多樣性的理解直接來(lái)源于對(duì)群落結(jié)構(gòu)的分析,目前多通過(guò)關(guān)鍵酶的功能基因的系統(tǒng)發(fā)育分析及基因序列在克隆文庫(kù)中的相對(duì)豐度來(lái)確定。從全球生態(tài)系統(tǒng)的角度看,海岸帶沉積物中的氮循環(huán)微生物種類組成常顯示其自身的特點(diǎn),這可能與海岸帶