菲尔德斯半岛位于南极洲乔治王岛西南部,是西南极边缘最大的夏季无冰区。因其多样化的地理、地质、生态环境,形成了许多差异性较为明显的岛内微生态区域,如动物活动区、苔藓覆盖区、冰雪融流区、动植物稀少区、冰盖前沿区、以及人类活动频繁区等,因此是各国南极科考研究相对集中的区域。本研究以菲尔德斯半岛10个特征微环境的土壤样品为对象,采用可培养途径、氮循环功能基因(nxr A、nir S、amo A、nif H)的高通量测序途径、以及氮循环代谢的宏基因组测序途径,对不同特征微环境土壤氮循环细菌(包括硝化细菌、反硝化细菌、氨化细菌、固氮细菌)的多样性组成、分布特征、产Optical immunosensor酶状况、氮代谢途径与相关酶和基因的差异、以及土壤理化因子影响等进行了综合比较分析。目的旨在全面、系统的了解菲尔德斯半岛土壤氮循环细菌的状况,为其它类似环境的相关研究提供参考;同时挖掘具有较强氮循环功能或高产胞外酶能力的菌株,为RP56976供应商进一步研究低温酶性质、开发利用低温产酶微生物提供良好的菌种资源。研究结果如下:1、可培养途径分析结果表明:(1)10个特征微环境氮循环细菌含量排序为:生物湾流域>黄金湾流域>企鹅岛东南侧>格林斯冰盖前沿>基太克湖流域>羊角山山坡>平顶岩陆地侧>企鹅岛西北侧>碧玉滩陆地侧>纳尔逊岛。按氮循环细菌总量排序为:氨化细菌(1.38×10~6～1.82×10~9MPN/g)>硝化细菌(2.0×10~4～1.6×10~8MPN/g)>反硝化细菌(1.20×10~5～9.00×10~7MPN/g)>固氮细菌(1.00×10~3～1.1×10~7CFU/g)。其中,氨化细菌含量最多和最少的分别是生物湾和碧玉滩陆地侧;硝化细菌、固氮细菌含量最多和最少的分别是黄金湾和企鹅岛西北侧;反硝化细菌含量最多和最少的分别是企鹅岛东南侧与企鹅岛西北侧。(2)发现53株分离菌具有较强氨化功能,14株具有较强反硝化功能。另外发现87株分离菌具有产淀粉酶、蛋白酶(酪素水解酶)、纤维素酶、酯类水解酶(吐温60、吐温80)、藻胶酶、七叶苷水解酶、DNA酶、氧化酶、过氧化氢酶较强的能力,它们分属于7纲17属(其中包含6株菌疑似新种)。(3)分离菌的16S r DNA系统发育多样性排序为:氨化细菌(7纲19属)>固氮细菌(6纲12属)>硝化细菌(5纲9属)>反硝化细菌(3纲7属),其中4种氮循环细菌的优势纲、属均为Gammaproteobacteria纲的Pseudomonas属。从10个特征微环境分布上看,企鹅岛西北侧的系统发育多样性(8纲12属)>企鹅岛东南侧(6纲9属)>平顶岩(4纲8属)>羊角山(4纲7属)>生物湾流域(3纲9属)>基太克湖流域(3纲7属)>格林斯冰盖前沿(3纲3属)>黄金湾(2纲4属)=碧玉滩(2纲4属)>纳尔逊岛(2纲3属)。另外发现有18株菌可能为Flavobacterium、Pedobacter、Shinella、Dyadobacter、IACS-010759使用方法Mucilaginibacter属内的潜在新种。2、氮循环功能基因(nxr A、nir S、amo A、nif H)的高通量测序分析结果表明:4个特征明显微环境土壤中氮循环细菌在纲水平上的物种多样性排序为:生物湾流域(19纲)>企鹅岛西北侧(13纲)>企鹅岛东南侧(11纲)>基太克湖流域(10纲)。其中企鹅岛东南侧、基太克湖流域在硝化细菌、氨化细菌群落组成上的相似性较高;而生物湾流域与基太克湖流域在反硝化细菌群落组成上、企鹅岛东西两侧在固氮细菌群落组成上却存在特殊性。另外,有机C、有机N、PO_4~(3-)-P、p H对这4个特征微环境中氮循环细菌的组成和丰度影响均较大,尤其是p H对硝化菌、反硝化菌、氨化菌影响最为明显,而对固氮菌影响最小。3、宏基因组测序分析结果表明:6个代表性特征微环境土壤样品中共注释出6条氮代谢途径,包括同化性硝酸盐还原、异化性硝酸盐还原、固氮作用、反硝化作用、硝化作用、厌氧氨氧化作用。还有诸如氰基氨基酸代谢、谷氨酸代谢、精氨酸生物合成、乙醛酸代谢等代谢途径的参与。对6个特征微环境样品间氮代谢途径及相关酶与基因的差异比较分析表明,企鹅岛东南侧缺乏固氮作用过程所需的固氮酶和nif DKH、anf G基因、硝基化合物转化为亚硝酸盐所需的硝基烷烃氧化酶和NAO基因;企鹅岛东西两侧、羊角山缺乏谷氨酰胺转化为谷氨酸过程所需的谷氨酸合成酶和GLT1基因;基太克湖流域、长城站区域、羊角山缺乏羟胺转化为氨气过程中所需的羟胺还原酶和Hcp、Nir S基因,以及反硝化作用和厌氧氨氧化作用所需的Nir S基因。依据氮代谢功能途径,6个特征微环境的样品共注释出7纲36属,多样性较为丰富。其中羊角山与基太克湖流域、企鹅岛东南侧与生物湾流域、企鹅岛西北侧与长城站这三组样品的组内氮代谢途径相似性均较高,符合采样环境。另外,有机N、NH_4~+-N、含水率、NO_2~–N、p H、Si O_4~–Si、有机C、NO_3~–N对6个特征微环境氮代谢途径影响较大,PO_4~(3-)-P影响最小。本研究不仅对菲尔德斯半岛多种特征微环境的土壤氮循环细菌状况进行了全面、系统的了解和比较,而且还挖掘出若干具有较强氮循环功能和较高产胞外酶能力的菌株,既为相关基础研究提供参考,又为低温菌株的开发利用提供良好的菌种资源。