土壤关键反硝化过程相关功能基因多样性及其在氮循环中的功能作用

The relationship between the diversity of microorganisms and the microbes-mediated biogeochemical process rates is of fundamental interest in microbial ecology. A wide range of microbial taxa are involved in the multiple processes of denitrification. Denitrification is arguably the most poorly understood process in the terrestrial N cycle. Recent advances indicated that previous studies on denitrifying community probably leaked a substantial of denitrifier groups who are functioning in denitrification processes. This project aims to establish the link between the diversity of denitrifier and the key processes relative to N2O production and N2O reduction, by focusing on the functional genes nir and nos. Molecular ecology investigation on the abundance, diversity and mRNA transcription activity of different microbial groups containing nirK and nosZ genes, including the newly discovered archaeal nirK gene, atypical nosZ gene and conventional nirK and nosZ genes in soils and sediments across a wide range of environmental settings, will be combined with the microcosm incubation, 15N stable isotope labeling and 13C stable isotope probing (SIP) techniques to identify the active microbial groups in denitrification and to reveal the relative contribution of different functional groups to N2O production and N2O reduction. Finally, the potential of denitrification as the “N2O source” and “N2O sink” will be reevaluated, and the finding will provide a theoretical basis and practical guide for understanding the microbial mechanism of denitrification pathways and mitigating on N loss and greenhouse emissions.

反硝化作用过程复杂，参与反应的微生物种类多样，多数有关反硝化微生物研究的结果很难与其原位发生的过程建立联系，反硝化作用因而被认为是认识最为薄弱的氮循环过程。近来的研究表明，以往对反硝化微生物的研究可能遗漏了大量关键微生物类群。本项目以陆地生态系统N2O“源”和“汇”关键过程相关的功能基因nir和nos为重点，拟对不同土壤环境条件下新发现的古菌nirK和非典型nosZ基因多样性、活性和驱动因子进行系统调查，并结合研究过去较为关注的细菌、真菌nir基因和典型nosZ基因的相对丰度和转录活性；在此基础上，结合微宇宙模拟培养、13C和15N稳定性同位素标记等研究，揭示含nir和nos基因的不同微生物类群的多样性特征及其对N2O产生和还原去除的相对贡献和环境影响因素，重新评估陆地生态系统作为N2O“源”和“汇”的潜能，为认识反硝化作用的过程和机理，减少陆地生态系统氮损失和温室气体排放提供科学依据。

反硝化作用在陆地生态系统广泛发生，其过程复杂，参与反应的微生物种类高度多样，大量关键功能微生物类群未被认识，反硝化作用因而被认为是认识最为薄弱的氮循环过程之一。本项目以陆地生态系统N2O源和汇相关的反硝化过程为重点，系统调查了不同生态系统土壤N2O产生、还原的潜能及驱动因子，参与其中的功能微生物的丰度、多样性及二者间的关系；在此基础上，利用15N同位素标记和RNA分析等技术研究了代表性土样中N2O产生和还原的速率和新型反硝化功能基因如古菌nirK (AnirK)和非典型nosZ II基因的表达活性；并探讨了长期不同施肥处理和投入品对土壤反硝化过程的调控效应及其机制。取得如下进展：（1）探明了不同生态系统土壤N2O产生和还原的潜力及其驱动因子。发现N2O产生和还原的潜力均在长期淹水和高碳、氮输入的湿地、水稻土系统中显著高于旱地农田和林地，并分别受可利用性碳和氮含量、C/N比和pH的影响。（2）揭示了携带AnirK基因的奇古菌门Group I.1a和Group I.1a-associated的类群在湿地和水稻土系统中广泛分布，并有较强的转录表达活性，对这些生境中硝酸盐的还原和N2O的产生具有重要意义。（3）揭示了参与N2O还原的反硝化菌的多样性特征，发现以拟杆菌门、芽单胞菌门和绿弯菌门等为代表的nosZ II型反硝化菌在不同生态系统中广泛存在，其丰度和对N2O还原速率的解释量均显著高于nosZ I型反硝化菌，是参与N2O还原的重要功能菌群。（4）阐明了长期不同施肥管理对旱地红壤反硝化过程和功能微生物的影响，发现高水分条件下反硝化作用是旱地红壤N2O和N2产生的主要途径，有机肥施用显著增加了参与N2O产生和还原的功能微生物多样性和数量，增加了土壤N2O净排放和N2损失。（5）阐明了秸秆还田、生物炭应用等措施对不同类型水稻土反硝化过程的调控效应差异及其机制。以上研究丰富了对土壤反硝化作用过程和机理的认识，为生态系统氮素管理和N2O预测及减排调控提供了重要信息。本项目成果发表SCI论文2篇，国内英文期刊论文1篇，3篇在投和撰写中，培养博士后和研究生共3名。