氨氧化古菌生态学及其在湖泊生态系统中的研究进展

马 婷，赵大勇，曾 巾，燕文明，姜翠玲，黄 睿，王 猛

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京210098；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京210098；3.中国科学院南京地理与湖泊研究所 湖泊与环境国家重点实验室，江苏 南京 210008)

自100多年前细菌氨氧化作用首次被发现以来，氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria，AOB)一直被认为是氨氧化过程的主要驱动者[2]。近年来，随着不依赖于培养的现代分子生物学技术的应用与发展，研究者发现了另一类具有氨氧化能力的微生物——氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea，AOA)。AOA是一类完全独立于AOB的进化类群，广泛分布于海洋[3]、土壤[4]、湖泊[5，6]、温泉[7，8]和矿区[9，10]等多种生态系统中，在地球氮循环中可能起着非常重要的作用。目前，对氨氧化古菌的研究主要集中在土壤和海洋生态系统中，而仅有少数研究涉及湖泊生态系统[5，6]。作者在此主要概述了氨氧化古菌的生态分布、系统发育、丰度及环境影响因子，重点综述了氨氧化古菌在湖泊生态系统中的生态学研究进展。

1 氨氧化古菌的发现

氨单加氧酶(Ammonia monooxygenase，AMO)是氨氧化过程的关键酶，由于氨单加氧酶基因之一的amoA具有较强的保守性，因而常被作为研究氨氧化微生物的分子标记[2]。

2004年，Venter等[11]用鸟枪法对马尾藻(Sargasso)的环境基因组进行测序分析后首次发现泉古菌拥有amoA基因。2005年，Treusch等[12]在土壤宏基因组片段中也发现泉古菌amoA基因，并从土壤中分离到amoA基因的转录产物。这两个研究揭示了未培养的泉古菌中氨氧化基因的存在，不过仅从基因序列信息还不能完全断定泉古菌是否可以进行氨氧化作用[13]。同年，Könneke等[14]从海水中成功分离出第一株AOA——Nitrosopumilusmaritimus，该菌具有氨单加氧酶基因的所有成员amoA、amoB和amoC，且以氨为唯一能源进行自养生长。这一发现强有力地证明了AOA在自然界中的真实存在，并证实了泉古菌amoA基因与氨氧化作用之间的关系。Francis等[3]将这类具有氨氧化能力的泉古菌称为AOA。自此，AOA的氨氧化作用引起了全世界的广泛关注。

2 氨氧化古菌分子生态学研究进展

2.1 氨氧化古菌生态分布

2005年，Francis等[3]率先利用AOA的amoA基因的特异性引物Arch-amoAF和Arch-amoAR对海水及其沉积物等环境样品进行PCR扩增，证实了AOA在海洋环境中普遍存在。随后，这对引物被广泛应用于各种环境中AOA的研究，结果显示，AOA在全球生态系统中分布广泛，存在于废水处理器[15]、土壤[4]、河口沉积物[16]、深海沉积物[17]、海洋功能组织(珊瑚、海绵)[18，19]、陆地温泉[7，8]、矿区[9，10]和淡水湖泊[5，6]等不同环境中。

2.2 氨氧化古菌系统发育

系统发育分析显示，AOA和AOB的amoA基因在进化树上分歧成不同分支，说明虽然它们可能起源于同一祖先，但在地球早期就已经分支进化成不同类群[20]。Klotz等[21]通过基因组分析发现，AOA的氨氧化功能在进化时间上要晚于AOB。

根据AOA的amoA基因序列变异及其所栖息的生态环境，可将其分为3大类：海洋环境硝化古菌群落、土壤环境硝化古菌群落和嗜高温环境硝化古菌群落[22]。

基于16S rRNA基因系统发育分析显示，AOA按生态来源的不同聚类于泉古菌的不同分支：海洋、大多数水体以及沉积物来源的AOA聚类于Group 1.1a；土壤及其它陆源环境来源的AOA聚类于Group 1.1b[23]；嗜高温AOA 在amoA系统发育树上形成一个独立于海洋和土壤分支的进化分支。

研究表明，AOA的amoA基因和基于16S rRNA基因的系统发育重合性很好。另外，研究发现Group 1.1c类群可能也参与了氨氧化过程，但还没有发现与之对应的amoA序列[24]。值得注意的是，相当一部分的海洋泉古菌可能并不含有功能基因amoA[25]。

2.3 氨氧化古菌丰度和对硝化作用的相对贡献

Herrmann等[6]对湖泊环境的研究表明，AOA在自然环境中不仅分布广泛，而且在数量上通常也明显超过AOB，最大差别达8000倍。Leininger等[4]研究发现，土壤环境中AOA的amoA基因数量最高可达AOB的3000倍。Mincer等[24]和Wuchter等[26]研究发现，海洋环境中AOA的amoA基因拷贝数要高出AOB的1～3个数量级。然而，也有报道表明微好氧条件下海湾沉积物中AOB的amoA数量高于AOA[27]。总的来说，AOA丰度高于AOB，是地球上最丰富的氨氧化微生物[17，20，24，26]。

根据目前的研究，AOA丰度显著高于AOB，但两者对硝化作用的相对贡献大小却不确定。2007年，Lam等[28]对黑海的研究表明，AOA为厌氧氨氧化过程提供了大约一半的亚硝酸盐。Church等[29]研究发现，太平洋中上层海域中绝大多数泉古菌都参与了氨氧化过程，并且这些AOA是海洋硝化作用非常活跃的贡献者。2009年，纯培养的研究表明[30]，AOA对铵态氮的氧化具有较高的竞争优势，在原位海洋硝化过程中发挥着重要作用，强有力地证实了AOA是贫营养生态环境中硝化过程的重要驱动者。

相对于海洋环境，土壤环境较为复杂，目前尚没有关于纯菌株或富集物的报道，土壤AOA的氨氧化动力学特点也不清楚。2009年，Offre等[31]利用不同浓度的乙炔来抑制土壤生态环境的氨氧化活性时，AOA的群落结构相对AOB发生明显响应，表明AOA对土壤硝化过程起主要作用。同年，Di等[32]研究高氮草原土壤时发现，尽管所有采样点的AOA丰度均较高，但其丰度和活性并没有随氮肥的施入而增大，反而AOB的丰度和活性与铵态氮浓度呈正相关。其最近的研究表明，在氨供给丰富的土壤中，AOB是硝化作用的主要驱动者，而在低氮或贫营养环境中，AOA可能对硝化作用贡献较多[33]。

2.4 氨氧化古菌的环境影响因子

2.4.1 pH值

大量研究表明，pH值对AOA的生理代谢规律有重要影响。

2007年，He等[34]对我国酸性红土(pH值3.7～6.0)的研究表明，AOA丰度与pH值呈正相关。2008年，Nicol等[35]研究表明AOA的amoA基因数量随pH值的增大而减少。2009年，Jia等[36]研究发现，随着土壤硝化能力的增强，pH值和AOA的amoA基因数量都降低。此后，也有研究者对全球58种土壤[37]和54个温泉[7]样品进行分析，结果表明AOA的丰度与pH值呈正相关。Shen等[38]对我国碱性砂质土壤(pH值8.3～8.7)的研究表明，pH值对AOA的丰度和群落结构没有明显影响。也有报道显示pH值与AOA的amoA数量并没有显著的线性关系[8，39]。

2.4.2 铵态氮浓度

2006年，Wuchter等[26]连续监测北海沿岸海水发现，AOA的amoA基因数量与海水中铵态氮浓度呈显著的负相关。近年来，也有研究表明高浓度铵态氮可能抑制嗜温AOA的氨氧化能力[40]。然而，Treusch等[12]对高钙草原土壤的研究表明AOA丰度随铵态氮浓度的升高而增大。

2.4.3 温度

2008年，Urakawa等[41]研究表明，温度会影响AOA的遗传多样性和群落结构，且温度越低，AOA的多样性也越低。Tourna等[42]通过设置不同温度的培养条件(10～30 ℃)发现AOA群落结构呈现一定差异。然而，基于AOA特异脂类的研究表明，部分土壤[4]、海洋[43]的AOA种群数量受温度影响较小。

2.4.4 植物根际

Chen等[44]研究发现，水稻根际AOA的相对丰度要显著高于非根际。Herrmann等[6]研究水生植物根际与非根际AOA时也得出类似结论，还发现不同类型水生植物根际AOA的amoA基因数量也不一样。这可能是由于植物根际释放氧气，直接或间接影响了了AOA丰度。

2.4.5 其它环境因子

此外，盐碱度[27]、土壤类型、施肥处理[34]和海洋水深[45]都可能影响AOA的群落结构、多样性或者丰度。

3 湖泊生态系统中氨氧化古菌的研究进展

目前，对AOA的研究主要集中在土壤和海洋生态系统，仅有少数研究涉及湖泊生态系统。2008年，Auguet等[46]提出了研究湖泊生态系统中AOA的重要性。同年，Herrmann等[6]在7个贫营养或中营养的湖泊沉积物中发现了AOA，并证实了其在数量上占优势地位。随后，越来越多的学者对湖泊生态系统中AOA进行了详细研究。

3.1 湖泊生态系统中氨氧化古菌系统发育

2010年，Wu等[47]对太湖沉积物AOA系统发育研究表明，所有AOA的amoA基因序列分属Group 1.1b和Group 1.1a两个主要分支，并以前者中的序列为主。如前述可知Group 1.1b广泛分布于土壤中、Group 1.1a在海洋生态系统中更为常见，这可能与历史上太湖地区经历多次海陆交替有关。而在太湖蓝藻水华叠加后，沉积物表层AOA序列多属于Group 1.1b，且AOA的物种多样性减少，群落结构也发生变化[48]。

和谐度H取值介于0和1之间，和谐度越大，代表系统越和谐，H=1则代表系统处于完全和谐的理想状态；0.8 <1，代表系统和谐状态较好；0.6 <0.8，代表系统基本和谐； 0

同年，Llirós等[49]对Lake Kiku(刚果)水体进行研究，基于AOA 16S rRNA基因序列分析表明，在好氧层发现AOA分属Group 1.1b和Group 1.1a两个分支，而厌氧层的AOA属于泉古菌进化树几个不同分支。

2011年，Auguet等[50]研究3个高山贫营养湖泊水体中AOA的季节性变化，发现大部分[(58±18)%]AOA属于Group 1.1a分支。

3.2 湖泊水体中氨氧化古菌

2008年，Llirós等[51]研究发现，湖泊水体中AOA的相对丰度和分布随季节发生变化，但应用多变量统计分析的方法却未发现两者存在显著相关关系。

2009年，Jiang等[52]对青海湖进行研究发现，在水体好氧层，AOA相对丰度大于AOB，而在厌氧层，AOB相对丰度大于AOA，并且AOA群落结构在水体和沉积物中是截然不同的。

同年，Callieri等[53]研究发现，AOA的相对丰度随水深增加而增大，并呈现一定季节性变化。Pouliot等[54]在加拿大两个极寒湖泊都发现了AOA的amoA基因，且其在氧跃层数量最多，说明AOA硝化作用在氧跃层最活跃，并发现AOA群落分布和组成在垂向呈现很大差异。

2010年，Llirós等[49]发现水体中AOA 16S rRNA基因和amoA基因拷贝数的垂向分布与硝酸盐和亚硝酸盐含量有关，表明在湖泊水体中AOA对硝化作用有潜在影响。

2011年，Auguet等[50]发现高山贫营养湖泊水体中，季节变化引起的AOA的amoA基因组成与16S rRNA基因序列有很好的相关性，表明湖泊中大部分泉古菌都具有氨氧化能力，且季节变化引起氨氧化过程中反应物(铵)和产物(硝酸盐)的变化，从而导致AOA相对丰度和多样性的变化。

3.3 湖泊沉积物中氨氧化古菌

2009年，Ye等[55]对太湖沉积物AOA进行分层研究发现，不同深度的AOA的群落结构存在显著差异，群落多样性变化尤其大，而相对丰度变化不大，且沉积物好氧层AOA相对丰度小于AOB，而厌氧层AOA相对丰度大于AOB。研究还发现AOA是湖泊沉积物环境中硝化作用的主要承担者。然而，2010年Liu等[56]对太湖沉积物进行分层研究发现，AOA的相对丰度随深度增加而增大。

2010年，Wu等[47]应用分子生物学方法对太湖AOA进行研究发现，不同采样点AOA的群落组成和相对丰度是变化的，AOA丰度与有机质累积呈负相关，而与水生植物类型无关。其研究还发现除东太湖湾外的大部分采样点AOA的amoA基因数量远大于AOB，这主要是由于东太湖湾水产养殖密集，有机质累积程度高，使得AOA相对丰度较高，同时发现东太湖湾存在许多独特的AOA群落。

同年，向燕[48]研究发现，太湖竺山湾沉积物中AOA多样性较高、群落组成相对复杂，AOA群落结构随着沉积物深度变化差异不大；蓝藻水华叠加后，AOA在数量上占明显优势，且随着沉积物深度变化，AOA群落结构有明显差异。随后又对茭草、苦草和金鱼藻三种水生植物进行室内培养，研究其根际对AOA的影响，结果发现茭草和苦草根际的AOA群落随植入时间的延长会发生显著变化，而金鱼藻对AOA的影响较小。

4 结语

AOA广泛分布于各种生态系统中，且在数量上较AOB占明显优势，在全球氮循环中起重要作用。相对而言，土壤和海洋生态系统中AOA的研究较为充分，而仅有少数研究涉及湖泊生态系统。AOA系统发育研究表明，湖泊生态系统中AOA的amoA基因序列大都属于Group 1.1b和Group 1.1a两个分支。AOA在湖泊水体和沉积物中都被发现，且通常在数量上占优势，研究表明，其影响因子主要有水深或沉积物深度、氧浓度、季节变化、水生植物根际、富营养化程度、有机质累积程度等。

但目前的研究缺乏AOA的活性信息，还不能定量评价它们对氨氧化作用的相对贡献。这就需要在今后的研究中综合运用生物、化学的方法，特别是基于功能基因RNA分析和同位素示踪等技术，对AOA生态学进行进一步深入探究。

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