编译：寒江雪，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
氮过量已成为全球关注的湖泊富营养化问题。反硝化和厌氧氨氧化过程是有效的生物脱氮途径。沉水植物在湖泊氮循环中也起着关键作用。然而，沉水植物调节生物脱氮途径的机理尚未得到很好的量化。
本研究探讨了沉水植物对根际nirS型反硝化菌和厌氧氨氧化细菌群落结构和丰度的影响，研究发现：
- qPCR结果表明，沉水植物近根际两种细菌的丰度均显著低于根际和非根际，而近根际有机酸的浓度则高于根际和非根际。
- RDA分析表明NO3--N，NO2--N，柠檬酸和草酸是影响环境群落结构重要的环境因子。柠檬酸和草酸浓度与nirS型反硝化菌丰度呈负相关，草酸与厌氧氨氧化细菌丰度呈负相关。沉水植物通过释放有机酸，降低了nirS型反硝化菌和厌氧氨氧化菌的数量。
- 黑藻根际反硝化菌群落的多样性最高，微齿眼子菜根际厌氧氨氧化细菌群落的多样性最高。
这些结果表明沉水植物对生物脱氮途径的影响与物种有关系。
原名：The abundance of nirS-type denitrifiers and anammox bacteria in rhizospheres was affected by the organic acids secreted from roots of submerged macrophytes
译名：沉水植物根际分泌的有机酸对根际nirS型反硝化菌和厌氧氨氧化细菌的丰度的影响
期刊：Chemosphere
IF：5.108
发表时间：2019.09
通信作者：赵建伟
通信作者单位：华中农业大学资源与环境学院
本研究采用有多个中间层的根箱培养沉水植物。根箱被分为7个中间层：根际（宽20mm，R），近根际（宽5mm，5个亚室，N1-N5）和非根际（大于5mm，Non）。选择三种梁子湖优势沉水植物：黑藻、微齿眼子菜和苦草。当根系充满根室（样本日0）时，开始从7个夹层中采集每株植物的沉积物样本，在第40天，三分之一的植物叶片变黄，因此前4个取样期（第0、10、20和30天）是成熟期，第40天是衰退期。一部分沉积物样本用来测定理化性质，另一部分用来测定pH值，剩余部分用来测定nirS型反硝化菌和厌氧氨氧化细菌的群落结构和丰度。
1 根际沉积物的理化性质
本研究中的三种沉水植物的根际和非根际pH值均高于近根际，且近根际pH值随离根距离的增加而降低。只有黑藻根际、非根际和近根际沉积物pH差异显著，微齿眼子菜和苦草中不显著。根际沉积物中NH4+-N含量最高，其次是NO3--N，NO2--N最低。距离根际越远苦草中NH4+-N含量越高，而在黑藻和微齿眼子菜中没有显著差异。NO3--N，NO2--N含量在三个物种根际沉积物中都没有明显变化。
2 有机酸含量的动态变化
沉水植物根际沉积物中含有7种有机酸，其中乙酸、草酸、琥珀酸和苹果酸含量较高（图1）。三种沉水植物在成熟过程中（0-20天），根际沉积物中总有机酸含量距离根越远含量先升高后降低。在30天时，三种植物的不同位置的根际沉积物各种有机酸含量基本一致。在第40天进入衰退期时，这些物质含量在微齿眼子菜中不同位置含量差异较大，而在另外两种植物中波动较小。在本研究中，沉水植物的叶片变黄，光合作用减弱，植物通过调节有机酸的分泌适应这种变化。
3系统发育分析
3.1 nirS型反硝化菌群落结构
对三种植物的根际沉积物样本进行nirS扩增子测序，聚类后得到43条OUT，用这些OUT序列侯建系统发育树（图2）。黑藻中nirS基因有32个，微齿眼子菜中有9个，苦草中有10个。黑藻中nirS基因OUT的数目远高于另外两种植物，说明黑藻多样性最高，表明植物种类对微生物多样性有影响。在系统发育树中（图2），这些序列与我国湖泊沉积物和河口沉积物中已知的序列高度同源，反硝化序列主要分布在长江流域。
图2 三种沉水植物根际nirS序列的系统发育分析。
3.2厌氧氨氧化细菌群落结构
对三种植物的根际沉积物样本进行氨氧化细菌多样性测序分析，黑藻，微齿眼子菜和苦草中分别获得63,54和57条序列，聚类后得到18个OUT，系统发育树见图3。三个物种对应OUT数分别为5,11和9。微齿眼子菜中分布的OUT数目远高于另两种，说明它氨氧化细菌多样性最高。黑藻和微齿眼子菜更可能存在于同一OUT中，而苦草大多位于单独的OUT中，说明黑藻和微齿眼子菜的厌氧氨氧化细菌群落结构相似，与苦草结构有差异。通过对已知环境中的序列比较发现三种植物根际沉积物中的序列与浅水湖泊和河口的序列具有高度同源性。这些湖泊和河口大多来自长江流域，说明本研究获得的氨氧化细菌序列广泛存在于长江流域的生态环境中。
图3 三种沉水植物根际厌氧氨氧化细菌16S rRNA序列的系统发育分析。
4 nirS型反硝化菌和厌氧氨氧化细菌丰度随时间的变化
距离根越远，各采样期根际沉积物中nirS型反硝化菌和氨氧化细菌的丰度均呈先减小后增大的趋势（图4）。当沉水植物进入衰退期（40d）时，根际氨氧化细菌的丰度较成熟期总体呈上升趋势，而nirS型反硝化细菌的丰度则有一定程度的下降。说明氨氧化细菌比nirS型反硝化菌更快地适应衰退植物的根际环境，使其在植物衰退时获得优势地位。nirS型反硝化菌平均丰度最低的是黑藻根际，说明黑藻对反硝化过程的抑制作用最强。微齿眼子菜根际氨氧化细菌平均丰度最低，说明微齿眼子菜对氨氧化过程的抑制作用最强。本研究比较了三种植物对湖泊底泥中氮的去除效果，发现苦草最有利于湖泊底泥中氮的去除。因此，为了更准确地评价湖泊沉水植物的脱氮效果，今后不仅要考虑水生植物的存在，还要考虑植物的种类。许多研究表明，植物根系分泌物如氨基酸、有机酸、糖等对微生物的生长有促进作用，从而增加了微生物的丰度。然而，在本研究中根际和非根际中的有机酸浓度较低，微生物含量较高。有机酸浓度与两种微生物丰度的相关性发现均呈负相关。氨氧化细菌是化学自养微生物，一般以无机碳为唯一碳源，不需要有机碳源，有机物的存在常常导致氨氧化过程的抑制甚至导致氨氧化功能的丧失。此外，有机物有利于异养细菌的生长，异养细菌的繁殖将使氨氧化细菌和nirS型反硝化菌在竞争底物的过程中处于劣势。另一个原因可能是高浓度有机酸在近根际沉积物中的释放降低了pH值，而低pH值抑制了nirS型反硝化菌和氨氧化细菌的生长。近根际pH值低于根室和非根际pH值的结果可以支持这一点。
图4 沉水植物根际沉积物中细菌丰度随时间的变化。
5 功能基因丰度与环境因子的相关性
RDA分析发现4个环境因子NO3--N，NO2--N，柠檬酸和草酸对功能基因丰度有显著影响。柠檬酸和草酸浓度与nirS基因和氨氧化细菌16S rRNA丰度呈负相关（图5）这与总有机酸的结果一致。也可能是由于沉积物中有机酸浓度增加而导致的pH值降低抑制了细菌的生长。NO3--N，NO2--N与两个功能基因均呈正相关，NH4+在本研究中作用并不明显，能是因为根际中NH4+的含量较高，不是相关基因活性的限制因素。NO2--N与nirS/氨氧化细菌16S rRNA比值呈正相关，说明NO2--N在nirS与氨氧化细菌的竞争中更有利于nirS基因的表达。
图5 沉水植物根际沉积物中细菌丰度与环境因子的关系。
沉水植物根际沉积物中的主要有机酸为乙酸、草酸、琥珀酸和苹果酸。根际和非根际沉积物中总有机酸含量均低于近根际沉积物。相反，根际和非根际沉积物中nirS型反硝化菌和氨氧化细菌的丰度均高于近根际沉积物。本研究还发现nirS型反硝化菌和氨氧化细菌的丰度与总有机酸浓度呈负相关。nirS型反硝化菌和氨氧化细菌与柠檬酸和草酸浓度负相关，与NO3--N，NO2—N正相关。三种植物中nirS型反硝化菌群落多样性最高的是黑藻根际沉积物，氨氧化细菌群落多样性最高的是微齿眼子菜根际沉积物。结果表明，沉水植物种类对nirS型反硝化菌和氨氧化细菌的群落结构和丰度有一定的影响。
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