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氨氧化微生物(AOA与AOB)是主导硝化反应限速步骤的微生物,甲烷氧化菌(MOB)主导土壤中CH4的氧化反应限速步骤的微生物,研究发现甲烷氧化菌和氨氧化微生物拥有同源的甲烷单加氧酶(pmoA)和氨单加氧酶(amoA),甲烷单加氧酶可作为氨单氧化酶参与反应。另外,两种酶的氧化底物CH4和NH4+的结构相似,两种底物与酶之间的反应可能存在竞争。但尚未有充分证据证实甲烷氧化菌(MOB)与两种氨氧化微生物(AOA与AOB)之间是否存在相互作用。淹水稻田在我国西南丘陵地区分布广泛,淹水土壤表层是一层水层,一般3~5cm,下面是薄薄的氧化层,厚度不到1cm,再下面是还原层,厚度一般为10~20cm,这种垂直深度分层导致土壤Eh值、pH值、温度、水分和养分等的差异。这些差异将对土壤中的微生物生态位产生一定影响。研究淹水稻田中垂直深度分层的氨氧化微生物和甲烷氧化菌的分布规律,有利于了解土壤中碳氮循环的微生物作用机制,为提高农田土壤氮肥利用率、减缓土壤温室气体排放提供科学依据。本研究采用普通PCR、实时荧光定量PCR(qPCR)、克隆测序等分子生物学技术,深入探究分析菌群关键功能基因的丰度及其多样性,厘清氨氧化微生物和甲烷氧化菌的的垂直空间生态位。本论文的主要研究内容和结论如下:本实验选取的三个采样区均属于中性紫色水稻土区,分别位于重庆市北碚区西南大学试验田、合川区大石镇高马村八社丘陵宽谷区、沙坪坝区青木关镇凤凰镇金塘三社低山地貌区。分别采集淹水层(0~3 cm)、氧化层(3~5 cm)、还原层(5~20 cm)土壤样品。通过室内培养、定量PCR技术及克隆测序,研究淹水稻田分异土层的淹水层、氧化层、还原层中氨氧化微生物和甲烷氧化菌的活性及群落结构。研究结果表明:(1)以硝化势表征土壤氨氧化微生物的活性,检查三种淹水稻田不同土壤层次的氨氧化微生物活性,结果发现,3种淹水稻田中硝化势大小表现为:沙坪坝淹水稻田>北碚淹水稻田>合川淹水稻田,不同淹水稻田均检测出氧化层(3~5 cm)的硝化势显著大于淹水层(0~3 cm)和还原层(5~20 cm),说明3~5cm土层的土壤环境更适宜于氨氧化作用的发生。并且不同淹水稻田及其不同土层中的硝化势与土层总氮浓度呈正相关;(2)以平均净氧化速率表征淹水稻田的甲烷氧化能力,结果发现,甲烷氧化能力沙坪坝淹水稻田>合川淹水稻田>北碚淹水稻田,其中沙坪坝与合川淹水稻田中不同土层的净甲烷氧化速率差异的趋势一致:还原层5~20 cm显著低于其他淹水层与氧化层,说明淹水稻田甲烷氧化主要由淹水层与氧化层完成。(3)通过定量PCR和基因测序,并对目的基因进行聚类分析,结果发现3种淹水稻田的AOB amoA丰度及多样性(AOB amoA绝大部分属于Nitrosomonas属)显著小于AOA及MOB;AOA amoA种群类别差异不大,但种群分布随着土层深度的增加,Group1.1b类逐渐减少而Group 1.1a类逐渐增加;MOB pmoA多样性远大于amoA基因,两种淹水稻田Type I型甲烷氧化菌分属于Methylococcacea type I methanotroph属(Type I a)与Methylocaldum属(Type I b),Type II型甲烷氧化菌则为Methylocystis属。随着土层深度的增加,Type I型甲烷氧化菌在淹水层及氧化层富集,Type II型甲烷氧化菌在还原层富集。综上所述,对氨及甲烷氧化微生物在3种淹水稻田的分布规律可归结为以下两点:(1)氨氧化与甲烷氧化作用在淹水稻田不同土层中发生具有规律性;(2)氨氧化与甲烷微生物在淹水稻田不同土层中分布有一定规律。