水稻土厌氧铁氨氧化过程微生物群落的宏基因组和宏转录组学研究

Anaerobic ammonium oxidation coupled to Fe(III) reduction (termed Feammox) is a recently discovered process of nitrogen cycling. The process use Fe(III) as electron acceptor and turn ammonium into dinitrogen, nitrite, or nitrate under the anaerobic condition. The process is confirmed existed widespread in wetland, rain forest, intertidal wetland and paddy soil. It is also an important pathway of nitrogen loss in paddy soil and account for high to 3.9-31%. The Feammox is generally considered driven by microorganism, but the study on the microbial community structure, functional gene of Feammox is still insufficient especially the Feammox in paddy soil. The project is on the basis of the form enrichment culture of Feammox in paddy soil by our research group, we now further calculate the velocities of Feammox; make utilize of high-throughput sequencing and FISH to determine the microbial community structure and dominant bacteria of Feammox; the Metagenomic by second-generation sequencing, Metatranscriptomics and qPCR were used to analysis the potential metabolic pathway and expression of functional gene during Feammox in DNA level, and further to elucidate the microbial mechanism of Feammox. It can provide theory evidence to reduce the loss of nitrogen in paddy soil.

厌氧铁氨氧化过程（Feammox）是近年来发现的一种新的氮循环途径，它以三价铁为电子受体在厌氧条件下将氨转化成氮气、亚硝酸盐或硝酸盐。该过程已被证实广泛存在于湿地、热带雨林土壤、潮间带与水稻土中，其在水稻土中占氮损失总量可高达3.9-31%，在水稻土氮素循环中具有重要作用。一般认为该过程是由微生物驱动的，目前对驱动水稻土中厌氧铁氨氧化过程的微生物群落结构与关键功能基因表达还缺乏系统研究。本项目在前期已建立的水稻土厌氧铁氨氧化富集培养物的基础上，确定富集物的厌氧铁氨氧化速率；利用基于16s rDNA的高通量测序和FISH技术从微生物种群尺度确定厌氧铁氨氧化微生物群落结构与优势种群；利用基于二代测序的宏基因组学、宏转录组学和qPCR从基因表达层面探究厌氧铁氨氧化过程代谢途径和功能基因表达规律，进而阐明水稻土厌氧铁氨氧化过程的微生物驱动机制，为水稻土减少氮素损失提供理论依据。

厌氧铁氨氧化过程（Feammox）是近年来发现的一种新的氮循环途径，它以三价铁为电子受体在厌氧条件下将氨转化成氮气、亚硝酸盐或硝酸盐。该过程已被证实广泛存在于湿地、热带雨林土壤、潮间带与水稻土中，在水稻土氮素循环中具有重要作用。一般认为该过程是由微生物驱动的，目前对驱动水稻土中厌氧铁氨氧化过程的微生物群落结构与关键功能基因表达还缺乏系统研究。本项目建立3个实验体系（i）在建立了水稻土厌氧铁氨氧化过程富集物培养物的基础上，确定富集物的厌氧铁氨氧化功能及微生物群落组成；（ii）建立了室内模拟系统，将水稻土置于厌氧瓶中分设去铁氧化物处理，普通水稻土和添加铁氧化物处理，研究铁氧化物对微生物群落及氧化亚氮的排放的影响。（iii）构建了将土壤富集物接种与于阴极室的双室生物电化学系统，且在阴极室设置了3种不同浓度的铵盐，探究土壤富集物对铵盐的去除效率及其微生物群落构成。实验（i）结果表明土壤富集物具有氨氧化的过程同时伴有铁还原的过程，微生物多样性分析发现富集物中的优势微生物有具铁还原过程的地杆菌及反硝化菌和厌氧氨氧化菌，对富集物进行宏基因组分析，目前已有氮代谢图，具体生物信息学仍在进行中；实验（ii）结果表明添加的铁氧化物加速了氧化亚氮的排放，qPCR结果也揭示了铁氧化物提高了微生物总量，增加了nirS和nirK的丰度，很有可能nirS的丰度与土壤硝酸盐的含量而nirK丰度与土壤环境因子如铁含量有关。对nirS和nirK的微生物群落分析揭示Paracoccus和Rhodopseudomonas是nirK型反硝化菌中主要的种属，而这两种微生物的代谢均涉及到铁；实验（iii）结果表明在阴极室补充了低，中和高浓度的铵盐的电化学系统对铵盐的去除分别达到64%, 84%和84%，而对阳极室的COD去除率分别达到了83%, 93%和93%。根据微生物多样性分析，补充了中等和高浓度铵盐的生物电化学系统的阴极室里存在硝化-反硝化过程，硝化过程的微生物以Nitrospira为主，反硝化的微生物以Denitratisoma, Dechloromonas 和 Candidatus_Competibacter为主。同时厌氧氨氧化过程也存在于阴极室之中。qPCR的结果也证实这一点。