完全氨氧化菌在农田土壤中的分布特征及硝化潜力

In late 2015, the discovery of COMplete AMMonia OXidizers (COMAMMOX) upended the conventional two-step nitrification theory, and represented a paradigm shift in our understanding of nitrification and the global nitrogen cycle. Comammox are a group of microorganisms capable of conducting both steps of nitrification, which could be prevalent in natural and engineered ecosystems. Despite of their significant roles in global nitrogen transformation, research on Comammox has been hampered by a lack of effective tools to identify and quantify this novel nitrifier in complex environments. Their physiology and ecology relevance also remains largely unclear. This project will advance the fundamental knowledge of Comammox by: 1) designing specific molecular biomarkers to examine the diversity and abundance of Comammox populations; 2) characterizing their distribution and in situ activities in typical agricultural soils across China; 3) elucidating the co-occurrence patterns of Comammox with conventional nitrifiers, and factors influencing their dynamics in agricultural soils. The objectives will be accomplished by coupling state-of-the-art molecular tools and high-throughput omics techniques. The outcomes of this project will serve as critical resources for modeling nitrogen transformation in agricultural soils, and will benefit future efforts aimed at sustainable nitrogen management in agricultural practices worldwide.

土壤硝化微生物学一直是地球化学和农业环境领域的热点和重点之一。2015年，完氨氧化菌（Comammox）的发现颠覆了传统的两步硝化理论，为氮循环模型增添了新的途径。农田土壤中Comammox与传统硝化微生物存在密切的共生关系，在氮素迁移和转化中扮演着重要的角色，但目前仍缺乏对其进行定量检测的方法，有关其生理生态学的研究也刚刚起步。本项目拟从识别Comammox分子标志物、设计特异性引物入手，开展对我国典型农田土壤中Comammox多样性、分布规律和环境影响因子的研究。通过将分子生物学技术与高通量组学相结合，对Comammox的功能和活性进行原位表征，并进一步解析其对农田土壤硝化过程的贡献以及与传统硝化微生物的互作关系。预期成果将对于阐明Comammox的生态学特征、完善农田土壤氮素转化模型具有重要意义，也为世界范围内优化土壤微生群落、发展高效的氮素管理和调控方法提供科学依据。

本项目采用分子生态学与高通量组学技术相结合的方法，系统研究了我国典型农田土壤中完全氨氧化菌的分布、多样性、重要环境驱动因子、硝化活性等，并解析了其与传统氨氧化微生物和亚硝酸盐氧化微生物的生态位分异特征。主要研究结论如下：.(1) 完全氨氧化菌在分布全国的23处典型农田土壤采样点中广泛检出，Clade A型丰度比Clade B高2个数量级，amoA基因高通量测序表明Clade A2占全部完全氨氧化菌OTUs的74.29%，而Clade B型仅占18.86%；.(2) 土壤pH、C/N、亚硝氮、硝氮是影响完全氨氧化菌分布和多样性的重要因子。由于完全氨氧化菌具有极高的氨亲和力、pH内稳态机制以及较高的代谢多样性，对低pH、寡营养、以及高有机物生境的适应性优于AOB；.(3) 氨氮和亚硝氮是影响完全氨氧化菌与AOB、AOA和NOB生态位分异的重要因子。在土壤微宇宙试验中，完全氨氧化菌在无外源氮素底物投加的情况下仍能保持较高的amoA转录活性，证实了其原位硝化活性，而AOB、AOA的amoA基因转录活性下降显著。以氨氮为底物时，Clade A型完全氨氧化菌的丰度比以亚硝氮为底物时高2.36倍，Clade B型完全氨氧化菌可在无外加氨氮和亚硝氮的条件下缓慢生长。.(4) 13C-DNA SIP结果表明农田土微生物群落以氨氮为底物时，完全氨氧化菌富集程度远高于以亚硝氮为底物 (2.61倍)，且具有更高的多样性 (香农指数: 2.47–2.82 vs 1.05–1.39);.(5) 低氨氮 (7 mg N/L)、低DO (< 0.3 mg/L) 是在实验室连续流生物膜反应器中富集完全氨氧化菌的关键条件，得到的完全氨氧化菌富集物最高可达20%，属于Candidatus Nitrospira nitrosa。.本项目预期成果将为深入理解土壤硝化微生物的多样性及互作机理，实现因地制宜保育土壤中硝化功能菌群，提高土壤肥力和氮素利用效率提供科学依据。挖掘完全氨氧化菌种质资源对于污水生物脱氮等领域也有潜在的应用价值。