陆地生物圈底部厌氧氨氧化反应的规律性分布与过程效应

The widespread discovery of anaerobic ammonia oxidation (anammox) in nature has greatly changed our understanding of the traditional microbial nitrogen cycle. Presently, it is estimated that more than 50 percent of nitrogen gas produced in marine can be attributed to the anammox with obvious deep layer effect. However, little is known about whether anammox is significant contributor in terrestrial ecosystems because of the lack of valuable data. Financially supported by the previous NSFC funding (20877086), our research team has extensively detected anammox process in the sediments of various aquatic ecosystems in the whole nation including lake, river, land/water ecotone, reservoir, tideland, swamp, riparian edge, littoral zone and so on, and found that they spread scatteredly and have not yet been detected in terrestrial upland soil, therefore it's hard to shape large-scale effect similar to that in marine. It is still unclear whether or not anammox on a large scale exists in terrestrial ecosystems and must be explored more in-depth. Basing on the experience of large-scale anammox in marine only taking place in some specific deep areas, we conjecture that anammox may occur underground in terrestrial ecosystem, especially the interface of soil and groundwater. This project aims to explore the occurrence, distribution regularity and role of large-scale anammox in the deep terrestrial biosphere, and study the mirocbial mechanism and influencing factors. The results of this project would supplement and revise the theory system of nitrogen cycle in terrestrial ecosystem, therefore has significant influence on global nitrogen cycle balance and flux.

厌氧氨氧化作为一种新型氮循环模式在自然界的发现，显著改变了人们对地球氮循环的认识。目前具有全球效应的厌氧氨氧化只发现于海洋，其产氮气量占海洋总氮气生成量的50%，且呈显著深层层面效应；在陆地系统，厌氧氨氧化的发生及贡献量均鲜有报道。依托上一基金，本研究团队在全国21处陆地水生态系统的沉积物中发现厌氧氨氧化反应，但呈零星状分布，而陆地表层土壤均未检测到反应发生。陆地上难道不发生全球效应的厌氧氨氧化吗？这值得深入研究。我们已在北京某建筑工地深地坑中发现大量厌氧氨氧化菌，根据海洋显著性厌氧氨氧化只发生于某一深层区间的特性，推测陆地厌氧氨氧化反应很可能发生在地下，特别是土壤/地下水交错带。本项目将在不同地点进行深层钻探取样，探索陆地生物圈底部是否存在有规律的厌氧氨氧化反应，研究其作用机制和影响因素。研究结果将对陆地生态系统的氮循环模式进行补充与修订，对全球氮循环平衡和氮循环通量模型计算有重要影响。

（1）陆地生物圈底部含水层均发生厌氧氨氧化反应. 为了探索陆地生物圈是否存在类似于海洋中具有连续性和有全球影响效应的厌氧氨氧化反应，通过在全球不同地区12个点柱状样品进行厌氧氨氧化目的基因hzsB丰度以及活性进行研究发现，只有在底部出现含水层的地方就能检测到厌氧氨氧化反应，占氮流失量37.5–67.6%。同时土壤/地下水交界面厌氧氨氧化反应速率大于反硝化速率。且在深层土壤地下水位处的氧氨氧化细菌大多属于Brocadia属，有着较高的生物多样性。而在没有地下含水层的柱状样点中均未检测到厌氧氨氧化反应。.（2）厌氧氨氧化反应在陆地水生态系统中无处不在. 由于陆地生物圈底部含水层才发生厌氧氨氧化反应，因此对陆地水生态系统是否发生广泛的厌氧氨氧化反应进行探究，对全球氮循环认识有着重要意义。. 通过在全国尺度上大规模取样，对10种来自40个不同地区的256个样品进行研究，证实厌氧氨氧化反应在陆地水生态系统是无处不在的，而且对氮循环起重要作用。研究结果表明，在陆地生态系统中厌氧氨氧化细菌大多属于Brocadia和Kuenenia属，由厌氧氨氧化反应产生的氮流失量（2.0 Tg N yr -1）占总量的11.4%。这对国家尺度上氧化亚氮释放通量计算有着重大影响，论文发表于《Scientific Reports》。同时还与朱永官研究员合作，发现在水稻田根际土壤中发生着显著的厌氧氨氧化反应，其对氮流失的贡献远超过大孔隙土壤，论文发表于《The ISME Journal》。.（3）在中国内陆水体中，氨氧化古菌与厌氧氨氧化过程共生. 在中国内陆水体的大规模研究中，对与厌氧氨氧化过程共生的功能微生物氨氧化古菌的时空分布特性、丰度特点和作用进行相关研究，首次发现，在内陆水体中AOA的广泛存在，包括极端环境在内，并且具有丰富的生物多样性和多元化种群结构，这是关于大范围内陆水体中AOA分布规律及其生态特性等的首次报道，论文发表于《Scientific Reports》。.（4）在中国内陆水体中，反硝化厌氧甲烷氧化菌与厌氧氨氧化过程共生. 反硝化厌氧甲烷氧化菌是以甲烷和亚硝酸盐为底物的,将生物地球化学中碳、氮循环以新的方式结合起来。实验组首次发现n-damo在陆地生态系统中的广泛分布以及丰富的生物多样性，论文已发表。