稻田土壤生态系统好氧-厌氧氨氧化作用及其微生物介导机制

The ammonia oxidation process mediated by microorganisms is a central and rate-limiting step in soil nitrogen cycle. It is comprised of three pathways including aerobic and anaerobic ammonia oxidation along with anaerobic ammonium oxidation coupled to Fe(III) reduction. Many recent studies focused on some single pathway. However, the aerobic and anaerobic conditions often co-exist in the natural ecosystem. As a result, it is still unclear of the spatial distribution and the mechanisms mediated by micro-organisms of the ammonia oxidation process with the same substrates or products, under the same system. In the present program, the paddy soil in which the aerobic and anaerobic conditions co-exist is used as the research subject. We attempted to 1) use the micro-electrode technique to study simultaneously and in situ the real time and continuous variation of DO, Eh and inorganic nitrogen, along with the spatial distribution of the three ammonia oxidation pathways in paddy field ecosystem; 2) study the spatial distribution of the functional microorganisms in different areas and the mechanisms mediated by micro-organisms; 3) simulate and validate the key environmental driving factors and related mechanisms that form the spatial distribution and the mechanisms mediated by micro-organisms. By achieving the studies above, this program aimed to construct the real “one system” to illustrate the aerobic and anaerobic ammonia oxidation and the mechanisms mediated by microorganisms. The results would be an innovation and breakthrough in the study of soil nitrogen cycle.

微生物介导的氨氧化过程是土壤氮循环的中心和限速环节，主要分为好氧氨氧化、厌氧氨氧化和厌氧Fe(III)还原氨氧化三类过程。目前相关报道多数还局限在对各独立过程的研究，但自然生态系统中好氧-厌氧环境往往共存，上述三类具有相同底物或产物的氨氧化作用在“同一体系”下的空间分布规律及微生物介导机制尚不清楚。本项目拟以好氧-厌氧环境共存的稻田土壤为对象，利用微电极技术“同步原位测定”稻田水-土界面、根际及非根际土壤中DO、无机氮、pH等指标实时连续变化，研究三类氨氧化作用在稻田土壤生态系统中的空间分布规律，采用基因组技术、转录组技术等分子生态学手段分析各区域功能微生物分布及其介导机制，并模拟验证形成上述空间分布格局及微生物介导机制的关键环境因子及驱动机制。通过上述研究，本项目构建“同一体系”来阐明稻田土壤生态系统中好氧-厌氧氨氧化作用及其微生物介导机制，其结果将是土壤氮循环研究的一次创新与突破。

微生物介导的好氧氨氧化和厌氧氨氧化过程是土壤氮循环的中心和限速环节，目前相关报道多数还局限在对各独立过程的研究，但自然生态系统中好氧-厌氧环境往往共存，好氧和厌氧氨氧化作用在“同一体系”下的空间分布规律及微生物介导机制尚不清楚。本项目拟以好氧-厌氧环境共存的稻田土壤为对象，研究稻田水-土界面、根际及非根际土壤中无机氮含量连续变化，研究好氧和厌氧氨氧化作用在稻田土壤生态系统中的空间分布规律，采用分子生态学手段分析各区域功能微生物分布及其介导机制，并模拟验证形成上述空间分布格局及微生物介导机制的关键环境因子及驱动机制。结果表明，盆栽水稻土壤不同微域中原位氨氧化活性及微生物群落组成有显著差异。水土界面总氨氧化速率显著高于根际土壤和非根际土壤。水土界面仅有好氧氨氧化过程，其好氧氨氧化速率显著高于根际土壤和非根际土壤。根际土壤和非根际土壤中好氧、厌氧氨氧化过程并存，非根际土壤厌氧氨氧化速率显著高于根际土壤，好氧氨氧化速率则无显著差异。三个微域中AOA和AOB均有活性。水土界面AOA和AOB amoA显著最高，根际土壤次之，非根际土壤显著最低。厌氧氨氧化菌hzsB基因空间分布规律与amoA基因相反，非根际土壤显著最高，根际土壤次之，水土界面显著最低。盆栽水稻土壤不同微域中氮转化功能基因和相关微生物群落存在显著差异。三个微域好氧氨氧化微生物类群无显著差异，但水土界面中Nitrosospira相对丰度（0.13%）显著高于根际土壤（0.05%）和非根际土壤（0.04%）。三个微域中厌氧氨氧化过程功能基因和微生物类群无显著差异。不同pH水稻土中根际土壤和非根际土壤的好氧、厌氧氨氧化原位活性及相关功能基因转录丰度均有显著差异，且pH对根际土壤和非根际土壤有不同影响。双因素方差分析显示，pH的升高能够显著刺激厌氧氨氧化原位活性及hzsB基因的转录活性，而对好氧氨氧化原位活性和AOA amoA基因的转录活性无显著影响；相较于pH，根系生长活动对好氧氨氧化原位活性和AOA amoA具有更强烈的显著影响。