中国近海氨氧化微生物氨氧化及反硝化过程研究

A growing population and human activities in the past few decades have enhanced its nitrogen loads, which have profoundly impacted the ecological environment in China coastal seas. As the rate-limiting step, ammonia oxidation plays a vital role in the global nitrogen biogeochemical cycle. Recently discovered nitrifier denitrification provides a novel perspective to understand the nitrogen cycle. In this study, the activity of ammonia oxidation and nitrifier denitrification, the relative contribution of ammonia-oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB) to ammonia oxidation and the contributions of nitrifier denitrification to nitrogen loss are discovered through amplicon high-throughput sequencing and culture experiment, combined with mRNA expression levels of key functional genes in ammonia oxidation and nitrifier denitrification. This study will lead to more reliable scientific knowledge for further understanding nitrogen cycle in China coastal seas, which is very important to gain an insight into coastal ecological environment evolution and its influences on global climates.

人类活动对海洋生态环境的影响日益加剧，近几十年来不断加剧的人类活动使得中国近海海域的氮负荷持续增加，生态环境显著变化。氨氧化作用作为硝化过程的限速步骤，在全球氮素循环中发挥着极为重要的作用。新发现的硝化微生物的反硝化作用为了解氮素循环过程提供了新的视角。本研究以扩增子高通量测序和室内模拟培养实验为基础，结合氨氧化微生物执行氨氧化和反硝化功能相关基因的表达水平，深入分析氨氧化微生物的氨氧化活性、氨氧化古菌和氨氧化细菌对氨氧化过程的相对贡献、反硝化活性及该过程对研究海域氮素损失的贡献率，明确氨氧化微生物在中国近海氮素循环过程中的生态地位。本研究将为进一步认识中国近海海域氮循环过程提供科学依据，为深入了解近海生态环境演变及其对全球气候的影响提供重要参考。

氨氧化过程作为硝化过程的限速步骤，在全球氮元素循环中发挥着极为重要的作用。新发现的硝化微生物的反硝化作用为了解氮元素循环过程提供了新的视角。本项目以扩增子高通量测序和室内模拟培养实验为基础，结合氨氧化微生物执行氨氧化和反硝化功能相关基因的表达水平，深入分析了氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea, AOA）和氨氧化细菌（ammonia-oxidizing bacteria, AOB）的氨氧化活性及二者对氨氧化过程的相对贡献、AOA和AOB的反硝化活性及二者对N2O生成的贡献率，进而明确氨氧化微生物在中国近海氮元素循环过程中的生态地位。项目取得的主要研究成果如下：（1）在黄渤海表层沉积物中，整体来看，AOA对氨氧化过程的相对贡献高于AOB。AOA在春季的相对贡献较高，而AOB在夏季的相对贡献较高。河口和近岸沉积物的硝化潜能总体高于远海沉积物的硝化潜能。（2）对渤海表层沉积物进行N2O生成模拟培养实验发现，氨氧化微生物对N2O生成的贡献率为21.23%，其中AOA对N2O生成的贡献率较大，为13.01%。（3）在东海表层沉积物中，AOA主导的PNRs由近岸到远海逐渐降低，而AOB主导的PNRs则表现为由近岸到远海先降低后升高。近岸东海表层沉积物中AOA是硝化作用的主要驱动者，而远海则是AOB对硝化作用的相对贡献更高。（4）对东海表层沉积物进行N2O生成模拟培养实验发现，AOA和AOB对N2O生成的贡献率主要受地理位置和环境因素等众多因素的协同影响。（5）渤海、南黄海和东海北部海域活性微生物群落受地理位置和环境因子的共同影响，且前者影响更大，这可能与不同海域的沉积物来源关系密切。丰富微生物群落和稀有微生物群落具有不同的生态位，发挥着不同作用，共同决定着活性微生物群落结构；在应对环境变化时，稀有微生物群落具有重要作用；实际发挥生态功能的活性微生物群落间主要存在竞争关系。本项目为进一步认识中国近海海域氮循环过程提供科学依据，为深入了解近海生态环境演变及其对全球气候的影响提供重要参考。项目执行期间，共发表SCI论文5篇，中文期刊论文3篇，投稿论文1篇，另有2篇论文正在撰写。