海陆界面农田土壤氨氧化微生物演变规律及主控因素

Ammonia oxidation is the first and rate-limiting step of nitrification and is performed by both ammonia oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB). A large body of previous studies on diversity of ammonia-oxidizing microorganisms focused primarily on inland soils or marine sediments, but less is known about succession of ammonia-oxidizing communities composition in coastal farmland soils. This project will investigate reclamation soils of different ages in south coast of Hangzhou Bay. By combining high-throughput sequencing and molecular ecological network construction technique, we will focus mainly on: 1) revealing succession of AOA and AOB communities composition in coastal farmland soils and their main controlling factors; 2) elucidating network interactions of ammonia-oxidizing communities and their responses to environmental changes; 3) exploring linkage between ammonia-oxidizing communities structure, abundance, network and nitrification potential, thus finding out the key groups in soil nitrification. The studies in this project, thereafter, can provide theoretical and decision-making basis for the nitrogen management and environmental protection in a transitional zone between terrestrial and marine ecosystems.

氨氧化作用是硝化过程的起始和关键限速步骤，其主要是由氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）参与完成的。当前人们主要针对内陆土壤和海洋沉积物进行氨氧化微生物多样性的研究，极少关注海陆界面农田土壤中氨氧化微生物演变规律。本项目通过采集杭州湾南岸不同围垦年限（0～1000年）的农田土壤，结合454高通量测序和分子生态网络构建技术，主要研究以下内容：1）海陆界面农田土壤中AOA和AOB群落结构演变规律及主控因素；2）海陆界面农田土壤中氨氧化微生物分子生态网络结构演变规律及其对环境条件的响应；3）硝化功能与氨氧化微生物群落之间相互作用关系，找出主导硝化作用的关键类群。本项目研究可以为滨海围垦农田氮素管理和滨海区域环境保护提供理论支撑。

摘 要 长时间序列土壤关键氮（N）转化过程和相关微生物的变化规律仍不清楚。本项目通过采集杭州湾南岸不同围垦年限（0～1000年）的农田土壤，分析了海陆界面农田土壤细菌和氨氧化微生物群落变化规律及其主要影响因素。结果表明，随着利用年限的增加，土壤电导率和pH下降，而有机质和全氮逐渐积累；硝化强度大体随着利用年限的延长而增强，土壤利用年限（45%）、电导率（12%）和有机质（11%）是影响硝化强度的主控因子。高通量测序结果表明不同利用年限土壤细菌、氨氧化细菌和氨氧化古菌群落结构均存在显著的差异，硝化螺菌（Nitrospirae）丰度与利用年限具有显著的正相关（R2=0.8175）；氨氧化细菌amoA基因中变形菌门Proteobacteria占总序列的4.1-37.7%，随围垦年限的增加Proteobacteria丰度呈增加的趋势；氨氧化古菌amoA基因可归属于4个古菌属，分别为Prenarchaeota（33.5%），Archaea（60.3%）、Thaumarchaeota（5.05%）和Nitrosopumilus（0.17%），氨氧化古菌基因的相对丰度随着利用年限延长而逐渐减少，利用年限、土壤pH、电导率等是土壤氨氧化微生物分布的主要影响因素。新农田的微生物网络结构较老农田复杂，构成网络的关键类群包含变形菌（Proteobacteria）和硝化螺菌（Nitrospirae）；微生物生态网络与利用年限、土壤性质等因素显著相关。因此，海陆界面土壤在持续农业利用过程中，氨氧化微生物群落结构显著改变，但同时受到历史条件和当代环境因素的共同影响。本项目研究可以为滨海围垦农田氮素管理和滨海区域环境保护提供理论支撑。