厌氧氨氧化细菌梯烷脂的研究进展

厌氧氨氧化细菌(AnAOB)在地球氮循环和环境污染治理中扮演着重要角色.AnAOB含有独特的梯烷脂,其核心结构是3或5个线性串联的环丁烷基团.至今尚未发现梯烷脂存在于其他细菌中,而且其生物合成通路和生理功能仍然未知.本文对AnAOB梯烷脂的发现、结构、性质、种类、合成及其应用进行了系统综述,并对梯烷脂的前沿问题和未来研究方向进行了讨论与展望.

生物标志物梯烷脂指示胶州湾厌氧氨氧化活动

厌氧氨氧化是重要的氮脱除途径,对海洋中的氮循环,尤其是人类活动影响下海湾的氮循环起重要作用。梯烷脂作为厌氧氨氧化的生物标志物,能指示不同生态系统中的厌氧氨氧化活动,但其在海湾环境中的来源以及对人类活动影响的响应尚未明确。本文对人类活动影响下的典型海湾——山东半岛的胶州湾海域进行研究,通过分析胶州湾表层沉积物中梯烷脂及其他有机质指标,来研究海湾中有机质及厌氧氨氧化菌的来源及梯烷脂对环境因子的响应。研究显示厌氧氨氧化活动在胶州湾海域普遍存在。对总有机质参数(TOC,δ13C和TOC/TN)与有机质来源贡献指标(TMBR和BIT)的分析显示胶州湾海域表层沉积物有机质以海源为主(BIT指示为83%、TMBR指示为54%),但各有机质来源指标与海湾中梯烷脂含量无明显相关。对梯烷脂总量及不同种类梯烷脂占比的分析显示,梯烷脂主要来自夏季水体中的颗粒物,且在梯烷脂总量较高的区域,梯烷脂可能主要受河流输入及污水排放的影响。主成分分析显示海湾沉积物中梯烷脂与营养盐及溶解氧含量受相同因子所调控,表明梯烷脂可以在胶州湾指示人类活动对海水环境质量的影响。这也为沉积物中梯烷脂在海湾环境,乃至其他边缘海环境中对人类活动的指示作用提供了新思路。

珠江口沉积柱中厌氧氨氧化活动的梯烷脂记录

为了反演珠江口过去环境的厌氧氨氧化活动状况，本文分析了来自珠江口3个站位的柱状沉积物中梯烷脂的含量，在所有的样品中均检测到了梯烷脂，表明珠江口地区存在厌氧氨氧化活动。P03沉积柱的梯烷脂总含量为0．16～4．13μg／g，L1为0．15～1．3μg／g，C2T为0．07～2．19μg／g。梯烷脂的垂直分布特征表明3个沉积柱中厌氧氨氧化细菌的来源可能不同，P03沉积柱中梯烷脂可能主要来源于沉积物中的厌氧氨氧化细菌，而L1梯烷脂可能来自上层水体和沉积物，C2T的厌氧氨氧化活动可能主要发生在底层缺氧水体中。将梯烷脂与总有机碳（TOC）作相关性分析，结果显示在TOC含量高的柱状样中，两者相关性好，TOC校准后的梯烷脂与原梯烷脂的分布趋势的一致性，表明梯烷脂含量能够指示厌氧氨氧化活动。对珠江口过去的厌氧氨氧化活动的重建表明P03站位沉积物中厌氧氨氧化活动自1970-1990增强，L1站位的厌氧氨氧化活动近十年来亦逐年增强，C2T站位上覆水体的厌氧氨氧化活动则呈现近几年快速增强的趋势。虽然本研究仅初步探讨了近些年来珠江口厌氧氨氧化活动的变化规律，但为进一步研究珠江口氮循环过程提供了良好的基础。

梯烷脂在海洋厌氧氨氧化研究中的应用进展

厌氧氨氧化反应是指NH4+在缺氧条件下被NO2-氧化释放N2的过程,发生在厌氧氨氧化菌的厌氧氨氧化体中,是海洋中N2的重要来源。梯烷脂是厌氧氨氧化菌特有的一种脂类,可以作为一种指示海洋环境中厌氧氨氧化活动的生物标志物。简单介绍了厌氧氨氧化过程的发现、厌氧氨氧化菌的分类和梯烷脂的结构与性质,并总结了影响梯烷脂含量与分布的因素。文中还对梯烷脂作为厌氧氨氧化菌生物标志物在氮循环研究中的应用做了简要介绍,并对梯烷脂在重建古环境中的厌氧氨氧化活动与氮循环过程及气候变化方面的应用进行了展望。

4种反应器中厌氧氨氧化菌完整梯烷脂的特异性

完整梯烷脂是存在于厌氧氨氧化菌的厌氧氨氧化体膜上的一类特殊磷脂.分别从厌氧EGSB反应器、好氧SBR反应器、自养脱氮SBBR反应器、以及厌氧氨氧化EGSB反应器中提取了污泥样品中的磷脂混合物,利用高效液相色谱-电喷雾串联三重四级杆质谱法检测了污泥磷脂提取物中完整梯烷脂的种类,分析了完整梯烷脂的特异性,同时利用高通量测序技术测定了自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器污泥中微生物的群落结构.完整梯烷脂的分析结果表明厌氧EGSB反应器和好氧SBR反应器的污泥磷脂提取物中未检测到完整梯烷脂,而自养脱氮SBBR反应器和厌氧氨氧化EGSB反应器的污泥磷脂提取物中检测到了完整梯烷脂.自养脱氮SBBR反应器的污泥磷脂提取物中检测到了5种完整梯烷脂,厌氧氨氧化EGSB反应器的污泥磷脂提取物中检测到了7种完整梯烷脂.高通量测序结果证实自养脱氮SBBR反应器含有Candidatus Brocadia属与Candidatus Jettenia属An AOB,厌氧氨氧化EGSB反应器含有Candidatus Kuenenia属与Candidatus Jettenia属An AOB.结果说明完整梯烷脂为厌氧氨氧化菌所特有的磷脂物质.

海洋环境中的厌氧氨氧化细菌与厌氧氨氧化作用

厌氧氨氧化是细菌在厌氧条件下将氨氮氧化成氮气的过程,主要应用在污水处理反应器中,最近几年发现在海洋环境中也广泛存在,并在海洋氮循环过程中发挥了重要作用,代表了海洋中一个巨大的氮汇,对碳循环和全球气候变化也有重要影响。梯烷膜脂结构独特,是厌氧氨氧化细菌的化学生物标志物,具有化学分类与古海洋学应用潜力。厌氧氨氧化作用及厌氧氨氧化细菌已成为海洋生物地球化学、微生物学、有机地球化学等研究领域的热点。

长江口悬浮颗粒物中有机质来源及厌氧氨氧化活动的季节性变化

人类活动导致的富营养化与赤潮爆发致使近年来长江口缺氧区日益扩大,厌氧氨氧化过程已经被指出在缺氧区的氮循环中发挥着重要作用.梯烷脂作为一种生物标志物已被用来指示不同生态系统中厌氧氨氧化活动,但悬浮颗粒物中厌氧氨氧化菌和梯烷脂的来源尚不明确.本文通过对春、夏季节长江口悬浮颗粒物中多参数生物标志物进行分析,来研究梯烷脂的来源及其对厌氧氨氧化活动和缺氧区的指示.陆源生物标志物(长链正构烷烃和直链醇)、海源生物标志物(菜子甾醇和甲藻甾醇)和相对陆源有机质指标TMBR(terrestrial and marine biomarker ratio)、BIT(branched and isoprenoid tetraether)的时空分布结果表明,海源有机质在春季(55%)和夏季(86%)都占主要地位.梯烷脂与海源和陆源生物标志物的相关性表明,梯烷脂主要在水体中原位产生,长江口悬浮颗粒物中梯烷脂的浓度主要反映了水体中厌氧氨氧化活动的强度,但梯烷脂的浓度也会受到厌氧氨氧化菌种群结构的影响.本文研究结果表明,厌氧氨氧化活动在长江口海域广泛存在,夏季较高的梯烷脂含量(特别是在上升流区)对应着较低的溶解氧的含量,表明其指示缺氧区的可能性.