重金属胁迫土壤的硝化过程及其氨氧化功能微生物响应机制

The research on the nitrification process and the key functional microorganism characteristic under the heavy metal stress soil condition has an important significance for control of the N-cycle and soil fertility quality of the contaminated farmlands. This research combines field investigation for soil heavy metal pollution and microcosm simulated experiment, based on the function and activity of soil heavy metals，to study the character of soil N-cycle as nitrification process, under the heavy metal stress condition; Exploiting molecular fingerprinting technologies, as DGGE and T-RFLP, to analyze microorganisms' structure characters such as ammonia oxidizing archaea (AOA) and ammonia oxidizing bacteria (AOB); Employing the stable isotope probing(DNA-SIP) combined with 454 high-throughput DNA sequencing technology，to in situ identify the species of the key functional ammonia oxidizing bacteria which directly involved in the nitrification process under the heavy metal stressed soil condition; Utilizing Real-time fluorescence quantitative PCR to investigate the quantitative relation between heavy metal and key ammonia oxidizing microorganism colony, and to distinguish the sensitive and resistant ammonia oxidizing miroorganism which indicating the degree of soil heavy metal pollution; Meanwhile, taking advantage of fluorescence in situ hybridization(FISH)，to evaluate in situ the spatial distribution character of the key functional AOB of the heavy metal polluted soil. This research provides theoretical foundation for profoundly understanding of function degradation of nitrogen cycle and for the efficiently application of the key functional ammonia oxidizing microorganisms under heavy metal polluted soil condition.

研究重金属胁迫土壤的硝化过程及其关键功能微生物响应机理，对于调控污染农田土壤氮循环和肥力质量具有重要意义。本研究拟将土壤重金属污染野外调查与微宇宙模拟实验相结合，在调查土壤重金属形态和活性的基础上, 研究重金属胁迫条件下的土壤硝化过程等氮循环特征；利用 DGGE和T-RFLP等分子指纹图谱技术，分析土壤氨氧化细菌和古菌等微生物的群落结构特征；将稳定同位素探针技术(DNA-SIP)与454高通量测序技术等技术相结合, 原位鉴定重金属胁迫土壤中直接参与硝化过程的功能氨氧化微生物种类；进一步利用实时荧光定量PCR技术研究关键氨氧化微生物群落对重金属的定量响应关系，明晰指示土壤重金属污染的敏感和耐性氨氧化微生物；利用荧光原位杂交技术(FISH)，原位评价重金属污染土壤的关键功能氨氧化菌数量及其空间分布特征。本研究将为深入理解重金属污染土壤氮循环功能退化和氮素养分高效利用的微生物机制提供理论依据。

研究重金属胁迫土壤的硝化过程及其关键功能微生物响应机理，对于调控污染农田土壤循环和肥力质量具有重要意义。本研究通过将土壤重金属污染野外调查与微宇宙模拟实验相结合，在调查不同土壤重金属类型、形态和活性的基础上，研究了重金属胁迫条件下的土壤硝化过程和硝化微生物群落组成；利用Illumina测序技术分析了氨氧化微生物的群落结构特征；通过稳定同位素探针技术原位鉴定了重金属胁迫土壤中直接参与土壤硝化过程的功能微生物类群；最后，结合实验室研究结果，探讨了农业废弃物资源化利用过程中的重金属风险及其对土壤氮循环的影响。研究发现，与未受污染的背景土壤相比，镉、铜、锌等重金属复合污染胁迫会抑制土壤的硝化过程，降低硝化螺旋菌属Nitrospirae的相对丰度，而在重金属污染较严重的土壤中，硝化螺旋菌属Nitrospirae与污染较严重的镉、锌均无显著的相关性，即在污染严重的土壤中硝化细菌会对重金属产生不同程度的耐受性。DNA-SIP-Illumina测序结果显示在重金属胁迫的酸性土壤中参与硝化过程的关键功能氨氧化微生物主要是氨氧化古菌，而氨氧化细菌的相对贡献较小。不同程度镉污染的实验室模拟实验结果表明，尽管培养21天、42天后，3 mg kg-1、6 mg kg-1、12 mg kg-1和24 mg kg-1干土的镉处理比对照相比，均显著降低了土壤潜在硝化势，但处理间差异不显著，即重金属污染会抑制土壤硝化过程，但污染程度与硝化过程的受抑制程度无相关性，这与野外调查实验结果一致。实验所用农业废弃物中主要的重金属是铜和锌，长期施用于农田存在铜、锌污染的风险，3年的施用处理未使土壤中的重金属超标，对土壤氮循环的影响远小于农业废弃物自身的影响。本项目的研究结果能够为深入理解重金属污染土壤氮循环功能退化和氮素养分高效利用的微生物调控技术研发提供理论依据。