典型农田土壤硝化过程的微生物调控机制研究

近年来氨氧化古菌的发现是全球氮循环研究的重大突破。然而，复杂自然环境下，氨氧化古菌的生态学功能仍不清楚，主要科学问题是：和氨氧化细菌相比，数量上占有绝对优势的氨氧化古菌对农田土壤硝化过程的相对贡献率。目前仅有的推测来自于一种德国农田土壤，表明氨氧化细菌可能是农田土壤硝化过程的主要驱动者。本项目拟针对理化性质具有显著差异的典型农田土壤，以硝化过程关键功能基因为分子标靶，通过稳定同位素原位示踪农田土壤硝化过程微生物驱动者的核酸DNA，阐释土壤硝化过程的微生物驱动机制，揭示不同种类氮肥施用下土壤硝化过程微生物驱动者的响应机理；综合应用硝化抑制技术和稳定同位素示踪氨氧化微生物核酸DNA手段，研究典型农田土壤硝化强度、氨氧化细菌和古菌群落组成和数量的变化规律，揭示氨氧化细菌和古菌对农田土壤硝化过程的相对贡献率。

氮是生命的基本元素，氨氧化微生物是地球惰性氮气和活性氮素之间良性循环的限速因子，也是土壤氮肥转化的重要功能微生物。氨氧化微生物在对土壤环境长期的适应过程中，形成了截然不同的古菌和细菌群落，共同主导了土壤氨氧化过程。在国家自然科学基金委资助下，本项目深入研究了氨氧化细菌和古菌在复杂土壤环境中的生理代谢特点，定量评估了细菌和古菌对我国典型农田土壤氨氧化过程的相对贡献率，取得了重要的成果。.发现细菌主导我国碱性农田土壤氨氧化。针对我国华北平原粮食主产区的碱性农田土壤，利用稳定性同位素13C示踪复杂土壤环境中的硝化微生物核酸DNA，结合乙炔抑制技术，发现在没有硝化作用发生的条件下，硝化微生物群落（氨氧化细菌AOB、氨氧化古菌AOA和亚硝酸氧化细菌NOB）不能同化CO2自养生长，清楚揭示了复杂土壤中氨氧化细菌和古菌同化CO2生长依赖于氧化NH3的生理代谢特点，全面描述了AOB/AOA/NOB硝化微生物群落在土壤氮肥转化过程的生理生态机制；根据三次重复的实验数据推算，氨氧化细菌主导了我国碱性潮土硝化过程，贡献率>77%（三次重复试验的最小值）。.发现古菌主导我国酸性土壤氨氧化。针对酸性土壤中NH3浓度极低的特点，利用高度灵敏的15N示踪技术描述了氨氧化动力学过程，证实复杂的土壤环境中存在尿素水解为基础的古菌氨氧化过程；利用新一代高通量测序技术刻画了土壤微生物群落整体概貌，揭示了复杂土壤中氨氧化古菌的系统分类学地位；进一步利用13C-示踪土壤微生物核酸DNA，发现古菌具有脲酶水解的遗传基础，表明土壤氨氧化古菌在NH3长期胁迫条件下，进化出了脲酶水解基因，结合乙炔抑制技术，发现古菌主导了酸性土壤氨氧化，并具有化能无机自养生长的代谢特点。.研究成果共计发表论文6篇。其中在国际刊物ISMEJ（影响因子7.375）发表论文2篇，在环境微生物EM（影响因子5.843）发表论文1篇。2011年ISMEJ刊发的论文他引13次；2012年ISMEJ刊发的论文已被包括PNAS在内的主流刊物他引2次，得到了国际同行的高度关注。