摘要
硝化作用是氮循环的重要环节，在土壤生态系统中广泛存在。硝化作用不仅直接影响着植物对氮素的利用效率，还与土壤酸化、温室气体N2O产生、硝酸盐淋失造成水体污染等密切相关。一百多年来，硝化作用被认为是由氨氧化过程(NH3转变为NO2--N)和亚硝化过程(NO2--N氧化成NO3--N)两个反应步骤组成，其中氨氧化过程由氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)催化完成;亚硝化过程由亚硝酸盐氧化细菌(NOB)催化完成，二者密切合作才能完成整个硝化过程。2015年，研究发现亚硝酸盐氧化菌中的一些硝化螺菌可将氨直接氧化为硝酸盐，即全程氨氧化(Comammox，complete ammonia oxidation)，Comammox的发现打破了我们对微生物驱动的硝化作用的传统认知。但目前有关Comammox Nitrospira在土壤环境中的分布特征、功能活性及其与AOA、AOB对土壤硝化作用的相对贡献还不清楚。 本论文以代表不同土地利用方式的农田、草地、灌丛、灌丛-自然林间过渡带和自然林土壤为研究对象，利用qPCR、克隆测序、稳定性同位素示踪(SIP)等技术，研究了不同土地利用方式下土壤中Comammox Nitrospira、AOA和AOB的分布特征及其功能活性，取得了以下主要结果: (1)不同土地利用方式下土壤的理化性质有明显差异，五种土壤均偏酸性，pH4.99～6.50;农田和草地土壤有效氮含量较高(P＜0.05)，且主要以硝态氮形式存在;灌丛，过渡带和自然林土壤中有效氮含量相对较低，且主要以铵态氮形式存在。 (2)不同氨氧化微生物类群的丰度在不同土壤中差异显著，农田土壤中氨氧化微生物的丰度为AOB＞AOA＞Comammox Nitrospira，在其他土壤中均为Comammox Nitrospira＞AOA＞AOB。AOA的丰度在过渡带土壤中最高，为1.2×107copies·g-1干土，在农田、草地、灌丛和自然林土壤间无显著差异;AOB的丰度在农田土壤中最高，为8.51×106copies·g-1干土，在草地、灌丛、过渡带和自然林土壤无显著差异;Comammox Nitrospira clade A在过渡带土壤最高，为1×107copies·g-1干土，clade B在灌丛中最高，为8.91×106copies·g-1干土;clade A和clade B均在农田土壤中最低。 (3)对农田土壤(pH5.80)，过渡带土壤(pH6.07)和自然林土壤(pH4.99)进行13CO2稳定同位素标记研究结果表明，农田土壤中硝化作用比过渡带和自然林土壤活跃。在30天的培养过程中，农田土壤中AOA，AOB和Comammox Nitrospira clade B的丰度显著上升;过渡带土壤中仅AOA的丰度显著上升;自然林土壤中Comammox Nitrospira的clade A和clade B均显著上升。对13/12CO2标记的DNA样品进行超高速离心分离和分析发现，农田和过渡带土壤中AOA可通过化能自养作用同化13CO2到其DNA中，而AOB和Comammox Nitrospira没有检测到，表明AOA为酸性土壤中活跃的氨氧化微生物类群，农田土壤中这些活性的AOA主要为Nitrososphaera(91.9％)，Nitrosopumilus(3.6％)和Nitrosotalea(4.5％)三个簇，而过渡带土壤中活跃的AOA主要为Nitrososphaera簇。 综上，Comammox Nitrospira在五种土壤中均有分布且丰度高于AOA和AOB，预示其对土壤硝化过程的潜在作用，通过SIP研究发现AOA是酸性农田土壤中活跃的氨氧化微生物，没有检测到有活性的Comammox Nitrospira，可能与其活性较弱有关。同时我们的研究也再次证明了之前酸性土壤中AOA起主要作用的结论，并且发现其群落组成会受土地利用方式的影响。
NETL