若尔盖湿地硝化和反硝化微生物群落及其对温室气体N2O产生的贡献

As a typical representative of alpine ecosystems in China, Zoige peatland is sensitive to global climate change. Also known as a main greenhouse gas source, previous work of Zoige alpine peatland partially focuses on greenhouse gas flux measurement, change in soil physic/chemistry and so on, but rarely in the view of microbiology. Recent researches indicate nitrification and denitrification mediated by microorganisms are two major N2O-production pathways, which is regulated by multiple environmental factors, e.g. soil types, oxygen. Bacteria are traditionally considered as only contributor to N2O production, but the involvement of archaea in N2O production has been recently demonstrated in pure culture and marine environment. However, this hypothesis has never tested in wetland soils. Therefore, our project will investigate communities and activities of nitrifiers and denitrifiers in alpine soil, when exposed to temperature gradient and oxygen stress, and elucidate their contribution to N2O generation. Our research will advance the knowledge of microbiology of nitrogen cycle in wetland, to decrease greenhouse gas emission and improve soil/water quality.

若尔盖湿地是高寒生态系统典型代表之一，对全球气候变化十分敏感；湿地也是温室气体N2O排放的主要来源，但是以往若尔盖湿地的研究大多集中在温室气体排放通量和土壤性状测定等方面，极少从微生物学角度进行考察。现有结果表明微生物介导的硝化和反硝化途径是产生N2O最主要的来源，并受到土壤类型、氧气等环境因子的调控。长期以来细菌被认为是N2O的唯一贡献者，而古菌参与的硝化反应是否产生N2O的假设最近也在纯菌和海洋环境的研究中得到验证，但是这个假设还没有在湿地土壤中得到证实。因此本项目利用生物地球化学以及分子生物学方法包括环境基因组、转录组学以及同位素指纹（Isotope Signature）等前沿技术，阐明温度变化和氧气胁迫条件下高寒湿地土壤中硝化和反硝化微生物（包括细菌和古菌）群落和活性的变化，以及对N2O产生的贡献；为理解湿地氮循环微生物学机理、减少温室气体排放、提高土壤质量提供理论基础。

若尔盖湿地是高寒生态系统典型代表之一，对全球气候变化十分敏感；湿地也是温室气体N2O排放的主要来源，但是以往若尔盖湿地的研究大多集中在温室气体排放通量和土壤性状测定等方面，极少从微生物学角度进行考察。现有结果表明微生物介导的硝化和反硝化途径是产生N2O最主要的来源，并受到土壤类型、氧气等环境因子的调控。长期以来细菌被认为是N2O的唯一贡献者，古菌参与的硝化反应是否产生N2O的假设也从未在湿地土壤中得到证实。本项目在实验室培养土壤条件下利用生物地球化学以及分子生物学方法研究氮肥处理、温度变化和氧气胁迫下若尔盖湿地土壤物理化学性质、氮化合物含量及N2O 排放的时空变化规律；氮循环功能微生物（固氮菌、氨氧化微生物和反硝化微生物）群落和活性的动态变化，以及对N2O产生的贡献。.研究发现温度、施肥处理、水分含量（土壤中可利用的氧气浓度）是影响土壤铵离子（NH4+）、硝酸根离子（NO3-）及有机碳（DOC）浓度变化的主要环境因素，而这些碳氮化合物浓度变化又与温室气体（CO2和N2O）排放通量相偶联；温度和水分含量是影响氮循环功能微生物种群数量和活性变化最主要的因子；而氮肥施加则显著影响了固氮微生物和氨氧化细菌的数量和活性。群落分析表明温度、水分含量和氮肥施加显著影响了氨氧化细菌的群落结构，低温条件时Nitrosomonas communis和Nitrosospira lacus是优势种群，而高温条件下Nitrosospira multiformis种群丰度增加，施肥处理更增长了该菌的相对丰度。整个培养过程中氨氧化古菌群落结构对环境因子的变化表现为不敏感。进一步分析表明，在土壤培养不同周期内N2O的排放及功能微生物活性在不同温度和水分含量条件下表现出不同的规律，表明微生物产生N2O机理发生变化并受到环境因子的调控。.本研究通过了解气候变化下高寒湿地土壤硝化和反硝化微生物群落变化和生态功能之间的相互关系，为理解湿地氮循环微生物学机理、减少温室气体排放、提高土壤质量提供理论基础。