南岭森林土壤氨氧化微生物群落特征及代谢活性研究

Human activities have significantly increased the input of reactive nitrogen into ecosystems, which has seriously affected microbial nitrogen cycle. In addition to ammonia-oxidizing bacteria (AOB), the newly discovered ammonia-oxidizing archaea (AOA) are also able to oxidize ammonia. AOA and AOB are collectively called ammonia-oxidizing microorganisms (AOM). Currently, some problems on AOM research remain unresolved: 1)the research on AOA in subtropical forest soils is scarce; 2)research on the metabolic activity of AOM in environments is little; 3)reports on the effects of environmental factors on the distribution of AOM and their metabolic activity are inadequate. Because of that, the present project will apply molecular techniques to study AOM in forest soils in subtropical Nanling National Reserve, including: 1)to investigate the physicochemical characteristics of soils that are associated with ammonia oxidation; 2)to study the community structures, diversity, abundance, and seasonality of AOM in various types of forest soils by analyzing their DNA; 3)to study the metabolic activity and ecological function of AOM in environments through analyzing their mRNA; 4)to study the effect of environmental factors on the community characteristics and metabolic activity of AOM. Through this study, we expect to reveal the relative ecological importance of AOA and AOB in subtropical forest soils and the effect of environmetal factors on the metabolic activity of AOM, so that to explore the mechanisms of ammonia oxidation in subtropical forest soils.

人类活动增加了生态系统活性氮的输入，干扰了微生物氮循环。微生物氮循环中，能够进行氨氧化的微生物除了氨氧化细菌（AOB），还有近年新发现的氨氧化古菌（AOA），统称氨氧化微生物（AOM）。当前AOM研究的不足有：1）对亚热带森林土壤AOA的研究较少；2）缺少对环境AOM代谢活性报道；3）环境因子对AOM分布及代谢活性影响的研究较少。本项目将以亚热带广东南岭国家级自然保护区为研究样地，利用分子生物学手段，研究以下内容：1）调查与氨氧化相关的森林土壤物理化学性质；2）通过分析DNA，研究各种类型森林土壤中AOM的群落结构、多样性、相对丰度和季节变化等；3）通过分析mRNA，研究AOM在环境中代谢活性及其生态功能；4）研究环境因子对AOM群落及其代谢活性的影响。此研究将揭示AOA和AOB在亚热带森林土壤中生态功能的相对重要性，探明环境因子对AOM代谢活性的影响，从而阐释亚热带森林土壤氨氧化机理。

氮的生物地球化学循环是由众多种类微生物参与的复杂过程，在森林土壤中的研究相对较少。本研究中，我们选择地处亚热带的南岭国家级自然保护区的森林作为样地，研究氮循环所涉及到的各类微生物群落以及它们与环境因子的关系。研究发现南岭森林土壤中AOA的丰度高于AOB，AOA在土壤中数量和功能都占主导优势。土壤深度是影响AOA和AOB群落结构的主要因素，而森林类型是次要因子。AOA的多样性与pH呈正相关，与有机碳、总氮和总磷呈负相关，AOA丰度与速效磷呈负相关。Al3+离子是影响AOM的重要因子， Al3+离子可能会结合土壤中溶解性有机物质产生沉淀，因此进一步限制了氮源数量。森林的改造对AOM群落影响很大。例如马尾松林到桉树人工林的土地利用变化使得表层土壤中AOA丰度减少、多样性增加。另外，AOA丰度与硝化速率呈正相关，表明AOA丰度变化是硝化速率下降的部分原因。这项研究还首次报道了厌氧氨氧化细菌和n-damo细菌存在于酸性森林土壤中，并且天然林中厌氧氨氧化菌的多样性低于再造林。厌氧氨氧化细菌和n-damo细菌在下层土壤的量高于表层。在对森林土壤反硝化细菌的研究中发现，从土壤中检测到的nirK基因主要属于变形杆菌。再造林地土壤中的反硝化菌多样性高于自然林。森林类型和土壤深度都影响着反硝化菌群落结构和丰度。对于nirK基因，下层土壤丰度均高于表层，并且天然林土壤中的冬、夏季差异显著高于再造林。在天然林中，夏季的nirK和nosZ基因高于冬季。再造林里 nosZ基因在夏天比冬天高，但nirK没有表现出季节性。对森林土壤固氮微生物的研究发现，土壤中既包含固氮古菌又包含固氮细菌，固氮细菌是固氮微生物的主要组成部分。表层土壤的多样性指数和基因丰度均高于下层土壤。到目前为止，此项目以第一标注已发表SCI文章6篇，接受发表SCI文1篇，预期还能发表4篇SCI论文。联合港大培养2名博士研究生。