摘要
硝化作用是全球氮循环的重要环节，氨氧化(Ammonia oxidation)是其第一步反应，且通常为硝化过程的限速步骤，将氨态氮(NH3)转化为亚硝态氮(NO2-)，该反应主要由氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)和全程氨氧化Nitrospira(comammox)三种主要的氨氧化微生物介导。接下来第二步通过亚硝酸盐氧化微生物(NOB)将NO2-转化为硝态氮(NO3-)，即亚硝酸盐氧化(Nitrite oxidation)。硝态氮可以快速淋失或经过反硝化作用转化为含氮气体化合物的形式流失，这会导致富营养化与全球酸化等环境问题，说明硝化微生物活性是影响全球氮素循环以及生态可持续的关键因素。当前对于土壤硝化微生物的生理生态学表现的认识仍然有限，揭示其生态位分化特征及其驱动因子具有重要的科学意义。 本研究运用传统PCR、实时荧光定量PCR和高通量测序等分子生物学手段，并结合13C-DNA-SIP技术与宏基因组学技术，深入揭示了我国典型土壤的硝化微生物生态位分化特征及其环境驱动机制。 本研究的主要内容如下: 1.通过进行大空间尺度调查发现AOB和NOB类群在农田与自然生境之间不同程度的分化，而农业活动对AOA群落的影响小于对AOB和NOB群落的影响。此外，我们发现农田中的AOB丰度和硝化潜势显著高于湿地以外的其它自然生态系统，表明农业活动可能显著促进AOB数量增加和硝化活性增强，并诱导AOB在硝化过程中发挥更重要的潜在作用。另外，生态网络对于维持生态系统功能尤为重要。硝化微生物与其他微生物之间或硝化微生物之间的复杂关系可能表明，硝化微生物在维持生态系统功能方面起着重要作用，农业活动可能导致农田和自然生境中土壤微生物组之间相互关系的明显分异。三个硝化微生物类群(AOA、AOB和NOB)的群落和活性分异可以通过地球化学、空间、气候、微生物和人为因素共同解释，主要包括pH值、OM含量、TP含量、MAT、MAP和生态系统类型。本研究为预测全球气候变化和人类活动对三个微生物类群群落和功能的可能影响提供了更系统的科学依据。 2.不同施肥处理显著影响氨氧化和亚硝酸盐氧化微生物群落，首先施肥导致AOA、AOB和NOB的amoA和nxrB基因丰度显著增加，尤其是有机无机肥配施处理三者的功能基因丰度最高。另外，两种施肥导致AOA和NOB的群落结构发生了明显变异，但是无机肥和有机无机配施处理的AOB群落结构差异不明显。土壤TC和pH是影响酸性土壤硝化微生物群落的重要因素。 3.氨氧化微生物是全球氮循环的主要参与者，但对其在含盐陆地生态系统中的生态性能和适应策略知之甚少。土壤氨氧化微生物存在基于耐盐能力差异的的生态位分化。Nitrosococcus主要存在于海洋环境和盐湖中，首次发现其在钠盐含量明显高、pH值高的土壤生态系统中发挥主导氨氧化活性。通过对13C标记基因组重建分析表明，相较于本研究中土壤中的其他氨氧化微生物(Thaumarchaeota和Nitrosospira)，自然碱地土壤中的Nitrosococcus具有更复杂多样的耐盐机制，包括Na+/H+逆转运蛋白，K+吸收系统以及有机相容性溶质(甘氨酸甜菜碱，海藻糖，四氢嘧啶，羟基四氢嘧啶和谷氨酸)的转运和生物合成。这些发现扩展了我们对参与氮循环的重要耐盐微生物的认识，并表明需要在受盐影响的环境中重新评估γ-变形菌纲氨氧化微生物的生态重要性。 4.不同的Nitrospira lineage(Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ和Ⅴ)是苏打碱地土壤中的活性亚硝酸盐氧化微生物。Nitrospira lineageⅣ是首次用直接标记证据被证明是高盐高碱土壤中主要的活性亚硝酸盐氧化微生物。通过利用13C标记DNA的宏基因组组装，我们发现了四个Nitrospira新种。比较它们以及相关NOB基因组，揭示了许多共同特征，以及一些可能影响苏打碱地土壤中NOB生态位分化的遗传特征。考虑到目前在同一NOB分枝中己知的两个物种均来自含盐水生环境，这项研究在很大程度上弥补了含盐陆地生态系统中Nitropira lineageⅣ成员的生态生理学知识空白，并扩展了我们对参与全球氮循环的重要耐盐微生物的理解。 研究结果有助于深入了解土壤硝化微生物的生态位分异特点与环境驱动机制，进一步拓展对全球氮循环微生物的认识。
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