城市土壤气态亚硝酸(HONO)排放与硝化微生物之间的关联机制

Nitrous acid (HONO) is a typical pollutant in urban environments. Field observations suggests a large proportion of unknown source of HONO, which was proposed to be attributed to the release of HONO from soil via microbial activity. Nitrifiers in soil play a major role in the formation of nitrite, which is the substrate for HONO emission. However, knowledge about the linkage between key nitrifiers and HONO emission is limited. In this proposal, we will collect soil samples with a gradient of urbanization in Xiamen, including the lawns and forest from parks in the urban area, and vegetable fields from the suburban area. By using high throughput sequencing and isotopic tracing, this project aims: 1) to characterize HONO emission in soils with different land uses by using flux chamber experiments on soil samples; 2) to depict the nitrification process linking to HONO production in both DNA and RNA levels; 3) to discriminate the key microbial process and the contribution of ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and ammonia-oxidizing archaea (AOA) to the HONO emission by a combination of stable isotope tracing technique and inhibitor addition. Taken together, the results would reveal the key microbial process and identify key nitrifying players involved in HONO emission. And the finding in this study will also give us a comprehensive understanding of the ecology of AOB and AOA in urban soils and to provide insights into the effect of the land use on HONO emission in urban soils.

气态亚硝酸(Nitrous Acid, HONO)，是城市环境的一种典型污染物。已有研究表明HONO排放存在一个很大的未知来源，其中一个重要来源是土壤硝化微生物作用下的直接排放。目前关于HONO排放的主要微生物过程研究仍鲜有报道。因此，在本研究中我们将选择不同城市化梯度的典型城市土壤——城市公园的草地、林地和城郊菜地作为主要研究对象，将原位测定和室内培养实验相结合，采用密闭箱收集法测定HONO浓度，获得不同土地利用方式下的城市土壤HONO排放规律；并应用微生物生态学技术，在DNA/RNA水平上比较土壤的总微生物和活性微生物群落结构及HONO排放相关的主要硝化微生物类群；进一步采用稳定同位素标记和添加抑制剂的方法，解析HONO排放的主要微生物过程以及好氧氨氧化细菌/古菌对HONO排放的相对贡献，以期阐明HONO排放和主要硝化微生物的关联机制，为HONO排放评估及调控提供更准确理论依据。

气态亚硝酸（HONO），作为亚硝酸在大气中的气态形式，是城市中的典型污染物。本项目按照城市化梯度选择了三个样点（城市样地选择日东公园和中山公园，城郊则选择柴场菜地），进行了夏季和冬季采样，以HONO排放规律及其与硝化微生物关联机制为研究核心。1）我们利用动态密闭箱和长程吸光光度法对HONO和NO排放量进行测定发现，HONO总排放量季节及样点之间没有显著差异，冬天HONO总排放量为0.43～1.88 mg/m2，夏天HONO总排放量为0.20～1.50 mg/m2；而NO总排放量存在季节差异，夏季显著高于冬季：冬天NO总排放量为0.34～2.08 mg/m2，夏天排放量为0.17～1.05 mg/m2；2）Illumina高通量测序发现夏季和冬季的微生物群落之间存在显著差异，冬季的微生物相互作用比夏季更为复杂；3）进一步分析了硝化微生物群落结构，发现氨氧化古菌（AOA）主要由Nitrososphaera属组成，氨氧化细菌（AOB）主要由Nitrosospira属组成；4）我们将HONO测定和培养试验相结合，对硝化微生物对城市土壤HONO排放的贡献进行分析，发现不同土地利用类型的土壤AOA和AOB对HONO排放的贡献不同，其中柴场菜地HONO排放主要来源于其他作用（83%），17%来源于硝化作用（AOA：6%，AOB：11%），而日东公园50% 的HONO排放主要来源于硝化作用（AOA：40%，AOB：10%），中山公园的HONO排放主要来源于AOB（96%）；5）结合结构方程模型发现，pH和TN可以直接影响HONO和NO的排放，也可以通过直接影响NH4-N和NO3-N而间接影响AOA和AOB的丰度，进而影响HONO和NO的排放。本研究阐明了不同土地利用类型城市土壤HONO排放特征及其与硝化微生物的关联机制，为城市土壤HONO排放提供理论基础和数据支持。