探索单步硝化作用在土壤硝化作用中的相对贡献

Researchers have discovered three different cultivated bacteria and an uncultivated bacterium that can each carry out the complete oxidation of ammonia to nitrate (Comammox). Those results provided strong evidence for the one-step nitrification theory. Many scientific questions needed to be answered in soil nitrogen cycling because of the discovery of one-step nitrification and comammox. Metagenomic sequence will be used to estimate the distribution of ammonia oxidizers and comammox in soils in different areas and their relative abundances; quantitative FISH and nanoSIMS will be used to study the relative ammonia oxidizing activities of ammonia oxidizers and comammox in crop lands and non-crop lands, and in paddy soil and upland soils as well.Then their relative contributions in soil nitrification could be estimated. Expected outcomes will provide insights into soil nitrogen management strategies.

2015年12月，三个科学团队分别发现了三种不同的培养细菌和一种非培养细菌能够各自进行从氨氮到硝态氮的单步硝化过程，以确凿的证据证明了单步硝化作用理论。单步硝化作用和全程氨氧化微生物（Comammox）的发现为土壤氮素循环的研究开创了全新领域，引出众多科学问题亟待探索。本项目利用宏基因组测序研究全程氨氧化微生物在不同地带性土壤和非地带性土壤中的分布；采用稳定性同位素核酸标记以及RNA反转录技术示踪复杂土壤环境中硝化微生物，研究不同土壤环境条件及不同土壤利用方式下全程氨氧化微生物与氨氧化细菌、氨氧化古菌的相对丰度及群落组成；采用定量荧光原位杂交和纳米二次离子质谱技术，研究全程氨氧化微生物与氨氧化细菌、氨氧化古菌在土壤中的相对硝化活性，估算不同土壤环境条件及不同土壤利用方式下全程氨氧化微生物在硝化作用中的相对贡献；为农业土壤的氮素管理策略提供科学依据。

全程氨氧化细菌（Comammox）的发现颠覆了人们对硝化作用及硝化微生物的传统认知，引出了一系列亟待解决的科学问题。本项目研究了不同土壤类型下，pH、底物浓度、土地利用方式等因子对土壤全程氨氧化细菌的分布，群落组成的影响，探索全程氨氧化细菌对硝化作用的相对贡献，主要结果如下：（1）利用同位素核酸标记结合基因测序，研究了水稻土及森林土中全程氨氧化微生物的分布，活性及群落结构组成，结果表明全程氨氧化细菌广泛分布于土壤生态系统，水稻土中Comammox Nitrospira clade A的丰度大于clade B, 而森林土则相反。令人惊讶的是，无论森林土还是水稻土，均只有clade B表现出硝化活性，而且群落组成单一。（2）采用宏基因组研究了pH对氨氧化细菌，氨氧化古菌及全程氨氧化细菌群落丰度及组成的影响，结果表明全程氨氧化细菌在中性土壤中分布最多，可能在pH中性环境中参与土壤硝化作用。（3）对酸性泥炭土的研究发现，推动土壤硝化作用的不是普遍认为的氨氧化古菌，而是一种嗜中性的细菌 Nitrosolobus multiformis，但该细菌在酸性土壤中的氨氧化效率只有其在中性环境中的10%，该结果丰富了我们对AOB环境适应性的认识。其它的结果包括土壤休耕30年后，氨氧化细菌进入休眠，贫N土壤环境里由氨氧化古菌主导土壤氨氧化过程。上述研究结果有助于揭示土壤硝化过程微生物学机制，为农田土壤氮素管理提供有效策略。本项目研究成果发表论文21 篇，其中7 篇被SCI收录，出版专著1 部（科技出版社），培养博士生1名，硕士生4名。