过量氮磷输入导致湖泊富营养化,引起蓝藻水华暴发、溶解氧降低、湖泊生态系统结构和功能发生改变。同时,在湖泊生态系统中存在着由微生物介导的硝化反硝化作用,这种氮素的转化过程可以降低湖泊氮负荷,维持湖泊氮平衡,从而减缓湖泊富营养化。底栖动物是湖泊生态环境的重要组成部分,改变泥水界面微环境,影响氮素在湖泊中迁移转化。因此,开展富营养湖泊中底栖动物对参与氮循环微生物群落结构与功能影响的研究,丰富湖泊生态学的内容,探索富营养湖泊氮素削减的途径,具有十分重要的理论和现实意义。采用末端限制性片段长度多态性分析(T-RFLP)、克隆文库、高通量测序和荧光定量PCR等分子生物学手段,系统研究了不同富营养化湖泊沉积物氨氧化菌异质性分布,富营养化湖泊摇蚊幼虫和河蚬对沉积物氮转化菌群落结构和功能的影响,旨在揭示富营养化湖泊氮循环的生态学过程与微生物学机制。主要结论如下：氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)普遍存在于淡水湖泊沉积物中,每克干重沉积物AOA的拷贝数在6.6×104到3.9×107之间,AOB的拷贝数在2.6×105到2.4×107之间。AOA丰度与沉积物有机质含量呈显著负相关,有机质含量低的沉积物中AOA丰度高于AOB。AOA和AOB的丰度不随湖泊初级生产者类型而变化。T-RFLP结果显示沉积物间隙水有机质含量显著影响AOA群落结构,而对AOB群落结构的影响不显著。系统发育分析显示氨氧化古菌amoA基因属于泉古菌土壤簇Crenarchaeotal Group (CG)I.1b或CGI.1a, CGI.1b(S)的序列都存在于富营养湖区沉积物中,而CG I.1a (M)的序列则存在于所有湖区沉积物中；氨氧化细菌amoA基因存在于亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira)或亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)中,Nitrosospira-like基因存在于所有湖区沉积物中,而Nitrosomonas仅出现于富营养化湖区沉积物中。因此,AOA和AOB在不同富营养化湖泊沉积物中分布具有空间异质性,AOA与AOB的相对比例随着沉积物中有机物含量的增加而降低。底栖动物的存在加快了沉积物和上覆水硝化过程,增加沉积物中总细菌和氨氧化菌的丰度,改变了沉积物总细菌和AOB的群落结构,增加N. europaea的丰度,降低N. communis的丰度,河蚬对沉积物总细菌和氨氧化菌的丰度和多样性影响强于摇蚊幼虫。因此,摇蚊幼虫和河蚬存在能增加湖泊沉积物细菌和氨氧化菌丰度、多样性,改变AOB的群落结构,从而加速了沉积物硝化过程。蓝藻和底栖动物共存能提高沉积物中氨氮浓度、降低亚硝氮和硝氮浓度,从而促进耦合的硝化反硝化作用,河蚬对氮素生物转化的影响程度大于摇蚊幼虫。蓝藻水华和底栖动物共存能增加沉积物表层氨氧化菌和反硝化细菌丰度,其中蓝藻水华和摇蚊幼虫共存增加AOA和nirK型反硝化菌丰度,而蓝藻和河蚬共存则增加AOB和nirS型反硝化菌丰度。高通量测序结果显示蓝藻存在时古菌amoA基因主要属于泉古菌土壤簇CG I.1b, S1和S4亚簇是其主要分支,蓝藻和底栖动物共存并未影响AOA的群落结构和多样性；细菌amoA基因大多集中在亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas), N. commnis是其主要种属,相对丰度在46%-73%,底栖动物降低AOB的多样性,使N. commnis相对丰度降低而N. europaea的相对丰度增加,从而改变了AOB群落结构。因此,蓝藻水华和底栖动物共存改变了沉积物氨氧化菌群落结构和功能,从而增强沉积物的硝化反硝化作用。摇蚊幼虫肠道不存在氨氧化作用,但是存在较强的反硝化作用过程,2小时内产生38.5 pmol·ind-1的N2O。蓝藻存在时摇蚊幼虫和其肠道N2O的释放量分别降低了40%和35%,肠道N2O的释放量占摇蚊幼虫生物体总释放量的77%,表明肠道是摇蚊幼虫释放N2O的主要场所。分子生物学研究结果表明蓝藻的存在降低摇蚊幼虫肠道细菌丰度和多样性,改变细菌群落结构,p-变形菌相对丰度增加到40.6%,δ-变形菌相对丰度降低到4.1%。摇蚊幼虫肠道内无氨氧化菌,然而,反硝化基因nirK和nosZ丰度分别从1.1×103 copies·ng-1 DNA和7.9×103 copies·ng-1 DNA增加到2.9×103 copies·ng-1 DNA和2.8×104 copies·ng-1 DNA,虽然反硝化基因nirK和nosZ多样性减少,但是反硝化菌丰度增加,nosZ型反硝化菌特有的OTU从3个增加到8个。由于蓝藻存在为摇蚊幼虫肠道反硝化过程提供充足的碳源,因此增强了完全反硝化作用,使更多的N2O转化成N2,降低摇蚊幼虫N2O释放量。