反硝化功能基因nirS和nirK及其检测技术研究进展

反硝化作用对维持环境氮平衡具有重要意义,其过程中亚硝酸盐向NO的转化是关键步骤,由亚硝酸盐还原酶控制,因此检测亚硝酸盐还原酶编码基因可以从分子生物学角度深入分析微生物种群特性和氮元素的转化规律,进而为评估生态环境健康状况等科研与生产活动提供支撑数据。重点综述了近年来反硝化作用功能基因nirS和nirK及其检测技术的研究进展,并对未来可预期的检测技术进行了展望,以期为该领域的研究人员提供参考。

用酵母单杂交系统筛选人IL-2Rα基因NIRS元件结合蛋白的cDNA

目的筛选与白细胞介素2受体(IL2R)α基因NIRS元件相互作用的结合蛋白。方法采用酵母单杂交体系从HTLV1转化的人外周血淋巴细胞MATCHMAKERcDNA文库中筛选与NIRS相互作用的蛋白。结果经过筛选并排除假阳性后有9个阳性克隆仍保持His+表型和βgal活性;测序后分析发现它们分别属于4个不同蛋白的cDNA克隆。其中一个是已知的反式作用因子Ku抗原,另一个是RNA聚合酶Ⅰ的转录终止因子。它们的C末端分别含有SAP和SANTDNA结合结构域。结论在Jurkat细胞中存在与NIRS元件相互作用的结合蛋白,相关的研究正在进行中。

撂荒地亚硝酸还原酶基因nirK和nirS丰度动态

使用荧光定量PCR法测定亚硝酸还原酶基因(nirK和nirS)遗传特异性片段,研究了草原撂荒地土壤反硝化微生物丰度随着撂荒时间的变化。结果表明,轻度放牧草原和3种不同撂荒时间地的土壤中nirK基因型反硝化微生物丰度都显著高于nirS基因型反硝化微生物丰度(P<0.05)。土壤nirK及nirS基因型反硝化微生物丰度撂荒地和轻度放牧地之间均有显著差异(P<0.05),但3种撂荒地均未发生显著变化(P>0.05)。此外,这两种基因型反硝化微生物丰度之间有极显著线性负相关关系(P<0.001)。以上结果说明,nirK和nirS基因型反硝化微生物对环境因子的响应有差异。

nirS基因重组工程菌降解亚硝酸盐的初步研究

通过基因工程手段增加厌氧氨氧化菌亚硝酸盐还原酶（nitrite reductase,nirS）的表达量,运用质粒载体p GEM-T克隆nirS基因。琼脂糖凝胶电泳检测显示,nirS基因重组工程菌在440 bp处有明显的目的条带;nirS基因重组工程菌扩大培养7-8 h后即达到生长曲线稳定期,引入外加氮源后,菌体生长情况更优。通过不同菌液投加量以及处理不同初始浓度的亚硝酸钠溶液,检测nirS基因重组工程菌的性能。结果表明,当nirS基因重组工程菌投加30 m L（细菌数为2.3×10^7个/m L）,亚硝酸盐初始质量浓度为40 mg/L时,亚硝酸盐去除率达到90%以上。nirS基因重组工程菌可适用于亚硝酸盐废水的处理。

三种农田土壤中氨氧化细菌amoA基因多样性比较分析

比较分析中国东部不同季风气候区中海伦黑土(HL)、封丘潮土(FQ)和鹰潭红壤(YT)3种土壤氨氧化细菌amoA基因多样性。采用非培养方法直接从土壤中提取微生物总DNA,用氨氧化细菌amoA基因特异引物扩增总DNA,构建了3种土壤amoA基因文库,并对文库进行限制性长度多态性(RFLP)分析。HL、FQ和YT的amoA基因文库克隆数量分别为49、50和48个,相应的RFLP类型数为10、10和14个OTUs,其中有4个OTUs为三种土壤共有;YT中氨氧化细菌amoA基因多样性指数最高,FQ最低;HL和FQ群落的相似为70%,HL与YT的相似度为50%,而FQ和YT之间仅为42%,说明氨氧化细菌具有地理分布的规律:17个amoA基因序列可以被聚成6个cluster,分属Nitrosospira和Nitrosomonas两个属。三种农田土壤中均存在丰富的氨氧化细菌,表明氨氧化细菌在农田土壤氮素循环中具有重要作用。

基于nir S基因的反硝化细菌快速定量检测

为解决现有油田污水以及反硝化相关的生物反应器中,反硝化细菌定量检测周期长、检测费用高的问题,以nir S基因为靶基因,采用聚合酶链式反应(PCR)技术与倍比稀释法(MPN)相结合的nir S-MPN-PCR法,对反硝化细菌进行快速定量检测研究.从污水中制备直接用于PCR扩增的菌液,保证定量准确性;以832F和1606R为通用引物,优化反应体系和扩增条件.结果表明,该方法检测结果明显比MPN-Gries法灵敏,真实地反映污水中实际的DNB菌的数量,整个操作过程需要3～4h,检测结果非常稳定,降低了检测费用,可以在生产工艺中应用.

环境样品中亚硝酸细菌amoA基因的克隆与测序

对从环境样品中分离的亚硝酸细菌(Ammonia oxidizingbacteria)amoA基因进行克隆与测序,为构建基因工程菌打下基础。采用亚硝酸细菌选择性培养基,从4个不同的畜牧养殖污水处理厂采集的样品(分别编号为1,2,3,4)在室温下富集培养2个月后,采取酚氯仿抽提的方法提取DNA。根据已报道的亚硝化单胞菌(Nitrosomonassp.)amoA基因序列,设计引物AMOB AMOE,并在AMOB,AMOE的5′-端分别加上了BamHⅠ和HindⅢ的限制性酶切位点,以利于进一步酶切和克隆。用AMOB AMOE对4种样品的DNA进行PCR扩增,PCR产物进行琼脂糖凝胶电泳分析。结果表明,4种样品中1号和3号样品扩增得到预期长度的DNA片段,2号和4号样品扩增没有得到预期片段。回收纯化PCR产物与pGEM-T载体连接,构建amoA基因测序载体,并转化E.coliM15。测序结果提交GenBank进行Blast分析。结果显示,扩增得到的DNA片段均与Nitrosomonassp.GH22的amoA基因有99 7%的同源性,可从环境中分离的亚硝酸细菌中克隆出amoA基因。

古菌氨氧化与amoA基因的扩增

氨氧化过程是由变形菌纲中的一小部分细菌类群所进行的专性好氧的化能自养过程,氨氧化细菌(AOB)是硝化反应中负责将NH4+转化为NO2-的一类无机自养微生物,氨氧化古菌(AOA)是独立于AOB进化枝之外的能进行氨氧化作用的古菌。介绍了AOA古菌的发现过程及其氨氧化作用,提取、纯化了amoA基因并利用amoA基因的特征,对它进行扩增,证实了AOA古菌的存在,并为后续研究提供了依据。

沉积物中氨氧化细菌amoA基因荧光定量PCR检测方法的改进

聚合酶链式反应(Polymerase chain reaction,PCR)较容易受到某些抑制成分的影响,尤其是在对复杂环境样品进行的荧光定量PCR反应中,定量结果的准确性更易受到影响。为减轻这种抑制作用,以采自长江口邻近海域沉积物的DNA为研究对象,采用稀释模板法和添加BSA法对荧光定量PCR反应进行了优化。结果表明2种方法都有减轻抑制的作用,但若考虑方法的准确性和检测的便捷性,则以添加BSA的方法更为优越,最适添加浓度为0.1～0.5μg/μL。这一检测方法的改进,为研究沉积物中微生物在硝化过程中的重要作用提供了可靠的技术途径。

枣树棉花间作与单作土壤氨氧化细菌amoA基因多样性的比较与分析

以编码氨单加氧酶基因amoA作为氨氧化细菌的功能基因标志物,采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)和扩增产物序列分析方法,研究南疆枣树与棉花间作和单作不同栽培模式下土壤氨氧化细菌群落结构和多样性差异以及与土壤理化因子的相关性。结果表明,枣树与棉花间作改变了土壤氨氧化细菌群落结构组成,与纯枣林、单作棉田差异显著,相似性低于60%。间作复合系统内冠下区、近冠区及不同层次的土壤中氨氧化细菌群落结构具有水平和垂直方向的空间变异性。系统发育分析表明,枣树与棉花间作、纯枣林和单作棉田土壤中氨氧化细菌均隶属于β-变形菌纲(β-Proteobacteria)的亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和不可培养的氨氧化细菌,以Nitrosospiracluster 3a为优势菌。间作土壤中还有cluster 3b、cluster 1和cluster 4,群落组成较单作丰富。典范对应分析结果显示,有机碳(TOC)、全磷(TP)、速效磷(RP)和硝态氮(NO3-N)含量对不同种植模式下氨氧化细菌的种群结构影响显著(P<0.05)。枣树与棉花间作显著提高了土壤氨氧化细菌的多样性,Shannon指数、均匀度指数和丰富度均高于纯枣林和单作棉田。土壤全磷、铵态氮、硝态氮、pH值和土壤含水量是显著影响多样性指数的关键理化因子(P<0.05)。

硝化池中氨氧化细菌amoA基因的检测及其多样性研究

为了分析污水处理系统中氨氧化细菌的种群组成 ,筛选合成了一对对氨氧化细菌氨单加氧酶基因 (amo A )特异结合的引物序列 ,利用 PCR技术对从活性污泥中抽提的细菌总 DNA进行扩增 ,得到不同重组子的 amo A序列片段 .运用 BL AST程序将测序结果与基因库中的公开序列进行比较 ,发现在该污水处理系统中分布有大量亚硝化单胞菌属 (N itrosomonas)细菌 ,其中最主要的是欧洲亚硝化单胞菌 (N itrosomonas europaea) ,由此推测N

抗生素残留对施用牛粪土壤氮素矿化的影响及amoA、nxrA基因的响应

以恩诺沙星(ENR)、四环素(TCY)和金霉素(CTC)3种常用抗生素为供试材料,通过室内培养试验,探究抗生素对施用牛粪土壤氮素矿化过程的影响。结果表明:ENR、TCY对氮素矿化具有抑制作用,抑制强度随培养时间的延长呈先增加后减小的趋势。ENR、TCY均在试验6~9 d的抑制作用最明显,该阶段ENR、TCY为100 mg/kg处理组对土样净氮矿化速率的抑制率分别达71.79%、45.61%,第16天后,ENR、TCY对氮素矿化抑制强度减弱,各处理组间无显著差异(P>0.05),说明抗生素对氮素矿化及硝化的影响不会持续存在。ENR、TCY对氮素矿化作用的抑制主要体现在对硝化作用的影响上。与ENR、TCY相比,CTC对土壤氮素矿化影响不明显。从功能基因丰度上看,ENR、TCY对氮素矿化的抑制存在差异,ENR主要通过降低主导氮素矿化的微生物酶活性来抑制氮素矿化,而TCY对相关的功能微生物菌群数量产生影响。综上可知,若土壤中有ENR或TCY残留时,会抑制有机物料的矿质氮释放,可能造成作物减产和品质下降。

稻田土壤nirS型反硝化细菌群落对氮肥水平的响应

【目的】基于水稻田间定位试验,利用nirS功能基因研究不同氮肥水平对稻田土壤反硝化细菌群落多样性的影响。【方法】运用PCR-DGGE(聚合酶链反应-变性梯度凝胶电泳)结合DNA克隆测序和荧光定量PCR(Real-time PCR)技术对反硝化细菌nirS基因进行检测,分析田间定位试验第4年不同氮肥水平下稻田nirS型反硝化细菌群落结构和丰度的变化。【结果】依据DGGE图谱计算的群落多样性指数显示,与不施肥对照处理(CK)比较,施用氮肥处理(N1:75 kg N.hm-2,N2:150 kg N.hm-2和N3:225 kg N.hm-2)可促进稻田土壤nirS型反硝化细菌群落多样性指数提高,尤其在水稻生长的齐穗期和成熟期后者均显著高于前者(P<0.05)。但群落多样性指数在N1、N2和N3处理间的差异主要表现在水稻分蘖期和齐穗期的表层土壤中,N3可显著高于N1(P<0.05)。冗余分析结果显示水稻生育时期对稻田土壤nirS型反硝化细菌群落结构的影响较大,表层和根层土壤的群落结构都与生育时期存在显著相关性(P=0.002,0.002);而不同氮肥水平对群落结构的显著性影响仅表现在稻田表层土壤中(P=0.002)。荧光定量PCR结果显示氮肥水平提高可促进稻田土壤nirS型反硝化细菌丰度增加,在水稻分蘖期和齐穗期内表层和根层土壤的nirS基因拷贝数均存在CK<N1<N2<N3的趋势,且以齐穗期时在表层土壤中的差异最大,不同处理间的差异都达到显著水平(P<0.05)。同时,本研究获得稻田反硝化细菌nirS基因片段序列8条登录GenBank(登录号:JX997923、JX997924、JX997926—JX997931)。此外,本试验中N1、N2和N3处理比CK处理分别增产59%、92%和107%,表层和根层土壤中NO3--N含量也随氮肥用量提高而增加。【结论】氮肥用量增加促进了稻田土壤nirS型反硝化细菌丰度及群落多样性指数的提高,尤其在稻田表层土壤中。氮肥水平提高还可改变稻田表层土壤nirS型反硝化细菌的群落结构。综合分析表明稻田表层土壤的nirS型反硝化细菌群落对氮肥水平提高的响应程度更明显。

珠江口表层沉积物nirS型反硝化微生物多样性

本研究以nirS基因为分子标记,将PCR、克隆文库构建与测序和典范对应分析相结合,对珠江口表层沉积物nirS型反硝化微生物的群落多样性进行了研究。3个站位共获得180个nirS基因克隆子,隶属于62个OTUs,氨基酸序列的相似性在50%—100%之间。各站位OTU分布格局差异明显,范围在19—33之间,表现出高度的多样性。系统进化分析表明,62个OTUs形成了5个类群,分别与河口、海洋沉积物、海岸养殖排放废水、富营养化海湾及海水养殖沉积物等的反硝化微生物聚类在一起,表明珠江口作为海淡水交汇区具有独特的反硝化微生物群落分布格局,同时也指示了珠江口氮污染及富营养化程度。典范对应分析结果表明,盐度、氮相关营养盐水平(PON/TN、NH4-N、NO-N和NO-N)可能是影响其分布格局的重要因素。

人工湿地(SEEP)中重要微生物基因的分布

该论文旨在调查人工湿地SEEP的生态效益和影响。SEEP是与蓄水池相关的雨水生态建设项目的简称。该蓄水池具有不可否认的价值,但是却长期被人们忽视。经过集中调查研究之后,发现这和整个环境具有联系。例如,(1)产生数吨温室气体。(2)处理受污染的水源,例如从水中清除N和P资源。(3)关于碳、氮和硫循环的其他生态有利影响。因此,非常值得探索其功能并建立对湿地功能非常重要的基因分布基准线。该文通过使用DNA提取和PCR技术对SEEP中每个区划的不同基因种类(例如,dsr B、mcr A、nir K、nir S和amo A基因)进行了研究并将在此进行报告。

东北黑土nirS型反硝化细菌群落和网络结构对长期施用化肥的响应

【目的】探明长期施用氮磷钾化肥对东北黑土农田土壤nirS型反硝化细菌群落和网络结构的影响,为更加合理的肥料配施提供理论依据。【方法】基于农业农村部黑龙江耕地保育与农业环境科学观测实验站平台,选取不施肥(NoF)、氮肥(N)、磷肥(P)、钾肥(K)、氮钾肥(NK)、氮磷肥(NP)、磷钾肥(PK)、氮磷钾肥(NPK)8个施肥处理,借助荧光定量PCR、Illumina MiSeq高通量测序和分子生态网络技术,分析东北黑土nirS型反硝化细菌丰度、群落及网络结构,及影响反硝化细菌群落变异的主要环境因子。【结果】1)长期施用氮肥均在显著增加nirS基因拷贝数的同时,降低了nirS型反硝化细菌的群落多样性,而磷、钾肥对其影响并不显著。2)Proteobacteria是所有处理中的优势反硝化细菌门,相对丰度为16.96%~27.34%,且氮肥的施用促进了隶属于该菌门中Bradyrhizobium的生长。3)PCoA分析结果显示,8个施肥处理nirS型反硝化细菌群落主要分成施氮肥和不施氮肥两组,说明长期氮肥的施用显著改变了东北黑土反硝化细菌的群落结构。结合Mantel test的结果可知,土壤pH是影响nirS型反硝化细菌群落改变的主要因素。4)分别构建施氮肥和不施氮肥的反硝化细菌分子生态网络,发现施氮肥和不施氮肥网络结构存在很大差异,长期施用氮肥明显简化了nirS型反硝化细菌的网络结构,同时使其网络结构稳定性降低,易受外界环境扰动。【结论】尽管施用化学氮肥有利于土壤养分的增加,但其土壤nirS型反硝化细菌群落及网络结构发生了较大改变,而磷、钾肥的施用对反硝化细菌群落无显著影响。本试验结果为进一步研究东北黑土区农田土壤反硝化微生物对不同施肥管理的响应机制提供了重要科学依据。

增温与降水变化对青藏高原高寒草甸土壤nirS反硝化菌群落丰度和群落结构的影响

全球变化已成为国际研究热点。青藏高原属典型生态脆弱带,该地区升温幅度更加明显,已导致大量冰川融化和明显降水变化,进而使该地区水循环和土壤水分发生巨大变化。温度和降水的变化可能会引起土壤微生物丰度和群落结构的改变,进而影响生物地球化学循环。但青藏高原地区土壤微生物群落结构和功能对全球变化响应的研究较少。研究了模拟增温和降水变化对青藏高原高寒草甸土壤nirS反硝化菌群落丰度和群落结构的影响。研究表明,增温1、2、4℃对nirS基因丰度影响不显著;增加降水100%时,增温4℃处理显著增加nirS基因丰度(P<0.05)。在未升温与升温2℃背景下增加和减少降水对nirS基因丰度的影响不显著。增温和增减降水均显著影响nirS反硝化菌群落结构,且两个因子具有一定的交互作用。CCA结果显示,增温和降水的共同解释变量中,增温对nirS反硝化菌群落结构变化的影响达极显著(P<0.01),解释了其中的54.2%,降水变化解释了45.5%(P<0.05)。

土壤氨氧化古菌适应酸性胁迫的ATP酶基因分子进化研究

氨氧化古菌(Ammonia-oxidizingarchaea,AOA)被认为是酸性土壤硝化过程的主要微生物类群,但AOA如何适应酸性胁迫并发挥作用一直是研究难点,而ATP酶(ATPase)是能量代谢的关键,其编码基因可能在AOA适应酸性胁迫过程中发生了趋同性演化。据此,本研究针对5个不同种植年限的马尾松人工林酸性土壤(15 a、24 a、45 a、55 a、63 a),通过深度宏基因组测序获得7360亿碱基对,重构AOA氨单加氧酶amo A基因和ATP酶A亚基(ATPase subunit A)基因的系统发育进化谱系,研究AOA适酸的分子机制。结果表明:根据经典的amo A基因系统发育进化分类,所有5个森林土壤中优势AOA主要包括Nitrososphaerales和Ca.Nitrosotaleales两大类群,但Nitrososphaerales类群与中碱性土壤中的AOA古菌亲缘关系更近,与嗜酸的Ca.Nitrosotaleales类群亲缘关系较远,表明amo A基因的系统进化关系不能解释Nitrososphaerales在酸性土壤中的成功定殖。然而,基于ATPase subunit A基因的系统进化分析则发现,所有酸性森林土壤中嗜酸/耐酸氨氧化古菌均含有亲缘关系较近的V-ATPasesubunitA基因,表明氨氧化古菌可能通过基因水平转移获得V-ATPase基因适应酸性胁迫环境,较好地解释了氨氧化古菌适应酸性胁迫的生境扩展规律。随林龄的增加,Ca.Nitrosotaleales类群丰度先减少后增加,而Nitrososphaerales类群丰度先增加后减少,速效钾是显著影响AOA群落结构的重要环境因子。这些结果表明,不同种植年限下酸性人工林土壤中氨氧化古菌种群发生了明显的分化,V-ATPase基因水平转移可能是氨氧化古菌适应酸性胁迫的重要机制。

基于宏基因组学的酸性森林土壤氨氧化微生物群落特征研究

全球30%以上陆地面积是酸性土壤(pH<5.5),而酸性土壤中氨氧化微生物群落特征研究是破译其硝化过程微生物学机理的基础。尤其随着完全硝化微生物(Complete ammonia oxidizer,comammox)的发现,亟需重新认知酸性土壤中氨氧化微生物类群。以酸性马尾松林为研究对象,综合利用荧光定量PCR(qPCR)、凝胶电泳半定量和宏基因组测序等技术研究土壤中氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)、氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和Comammox的相对丰度以及群落组成特征。研究发现AOA和AOB amoA基因丰度分别为2.61×10^(6) copies·g^(-1)和1.45×10^(6)copies·g^(-1);而comammoxamoA基因qPCR结果存在显著的非特异性扩增,导致其丰度被高估,而经凝胶电泳半定量矫正后,约为(1.38~1.47)×10^(6)copies·g^(-1),该结果和土壤宏基因测序揭示的comammox相对丰度基本吻合。此外,宏基因组分析发现经典嗜酸group1.1a-associated仅占AOA总类群的12%,而group1.1b则占88%,尽管目前仍未有嗜酸group 1.1b AOA纯菌株的报道。AOB主要类群为Nitrosospira(约64%),而Nitrosomonas约占36%。Comammox主要类群为clade B(约64%),而clade A仅占36%且均隶属于clade A.1亚枝,这暗示clade B与已报道的嗜中性comammox clade A纯菌株有极大的生理代谢差异。总之,本研究提供了综合利用qPCR、半定量和宏基因组分析土壤氨氧化微生物群落的策略,并建议优化comammox的qPCR引物,同时本研究系统分析了酸性马尾松林土壤中氨氧化微生物的相对丰度和群落组成特征。

转基因水稻秸秆还田对土壤硝化反硝化微生物群落的影响

转基因作物可能通过根系分泌物和植株残体组成的改变及外源基因的转移释放令土壤微生物群落产生变化,影响土壤微生物的生态功能。氨氧化细菌和反硝化细菌是驱动土壤硝化和反硝化过程的关键微生物,其群落结构的变化直接关系土壤氮素的转化与利用。本研究利用荧光定量PCR和PCR-DGGE技术分析了转cry1Ac/cpti双价抗虫基因水稻‘Kf8’秸秆还田降解过程中,土壤氨氧化细菌和反硝化细菌群落丰度与组成的变化,探讨转基因水稻是否存在影响稻田土壤氮素转化与N2O排放的可能。结果显示:无论是氨氧化细菌amo A基因还是反硝化细菌nirS基因,其丰度在转基因水稻‘Kf8’与非转基因水稻‘Mh86’的秸秆还田土壤中都没有显著差异;转基因水稻‘Kf8’和非转基因水稻‘Mh86’秸秆还田降解过程中0~10 cm土层中的amo A基因丰度均显著高于10~20 cm及20~30 cm土层(P<0.05);各深度土层中的nirS基因丰度均存在随秸秆还田时间延长而增加的趋势。水稻秸秆还田降解过程中,转基因水稻‘Kf8’的土壤氨氧化细菌和反硝化细菌的群落多样性指数及组成,均与非转基因水稻‘Mh86’没有显著差异。相关分析结果表明土壤氨氧化细菌和反硝化细菌群落组成均与水稻秸秆还田时间存在显著相关性(P=0.002),反硝化细菌群落组成还与土层深度显著相关(P=0.024)。本研究表明转cry1Ac/cpti抗虫基因水稻秸秆还田对稻田土壤硝化和反硝化关键微生物群落不会产生明显影响。就土壤微生物群落而言,转cry1Ac/cpti抗虫基因水稻秸秆还田不存在影响土壤氮素转化与N2O排放的可能。