濕地岸邊氮循環反應的研究進展

　　濕地岸邊帶作為連接內陸水體與陸地生態系統的交界面，不僅是氮循環反應的“熱區”，亦是溫室氣體——氧化亞氮的高釋放區。前期大量研究表明濕地岸邊帶系統能夠有效攔截陸源污染和凈化水體，但其微觀機理仍不清楚。

　　中國科學院生態環境研究中心祝貴兵研究組通過構建針對各氮循環反應微生物功能基因的高通量測序分析、同位素示蹤技術等方法解析不同氮循環反應過程，對濕地岸邊帶系統各界面開展全面系統研究。目前已取得一系列研究進展，分別發表在土壤學、環境微生物學、環境科學與工程領域的TOP雜志，充分體現了多學科交叉的特點。分述如下：

　　（1）構建了針對厭氧氨氧化菌功能基因（hzsB基因）的高通量測序技術，并應用于青藏高原高海拔梯度厭氧氨氧化細菌的多樣性和群落組成研究。結果顯示在641米到5033米高度兩種土壤類型中存在三種已知厭氧氨氧化菌屬（Candidatus Brocadia、Candidatus Jettenia、Candidatus Kuenenia）。其多樣性、群落組成和豐度并未顯示出顯著的海拔效應，而旱地土壤比濕地土壤具有更高的厭氧氨氧化菌多樣性。研究成果發表于MicrobiologyOpen。

　　（2）旱地土壤氮氣產生過程主要發生在20cm以上表層土壤，與厭氧氨氧化、n-damo兩種新型氮循環過程相比，反硝化是氮氣產生主導過程（85.0-99.0%）。而在亞表層及深層土壤，則由厭氧氨氧化反應主導氮氣產生過程（65.4-79.4%）。研究成果發表于環境微生物學期刊Environmental Microbiology。

　　（3）分析與厭氧氨氧化菌共存的菌種可知，新型產氮氣過程硝酸鹽型厭氧甲烷氧化菌n-damo零星分布于全球表層土壤和深層土壤（最深達63 m），表明旱地土壤不能為damo菌生長代謝提供良好的生境，因此局限了旱地土壤在全球CH4循環中的潛在作用，研究成果發表于土壤學期刊Soil Biology Biochemistry。

　　（4）前期已知，好氧氨氧化過程可在多種環境中為厭氧氨氧化反應提供關鍵底物亞硝酸鹽，對其執行菌種AOA和AOB的研究表明，被激活的AOB過程主導氨氧化過程，比細胞速率的提高是AOB速率提高的根本原因，關鍵執行菌屬為Nitrosomonas，研究成果發表于環境科學與生態學期刊Science of the Total Environment。

　　（5）通過測定冬季和夏季湖泊岸邊帶的氧化亞氮產生速率以及反硝化微生物，來研究氧化亞氮產生的微生物機制。發現氧化亞氮生產者（nirS，nirK）和氧化氮還原者（nosZ clade I和nosZ clade II）在湖泊岸邊帶的分布具有顯著的異質性。nirS和nosZ clade I 型反硝化作用在開闊水體沉積物（持續淹水區）中占優勢。而在代表非持續淹水區的樣品含有更多的nirK型反硝化菌和nosZ clade II型反硝化菌。最終得出反硝化微生物的群落結構影響氧化亞氮產生速率。研究成果發表于環境科學與生態學期刊Science of the Total Environment。

　　（6）為了改善大型湖泊富營養化狀況，發揮岸邊帶在氮素去除過程中的“熱區”作用，研究人員調查了氮循環主要過程微生物在岸邊帶和開闊水體中的分布差異。結果顯示在巢湖岸邊帶，不同氮循環微生物群落的結構與分布受到不同環境因子的影響。氨氧化古菌（AOA）和厭氧氨氧化細菌的分布呈現明顯的空間異質性；反硝化細菌和DNRA細菌主要受到溫度的影響；氨氧化細菌（AOB）豐度受到空間和溫度的雙重影響，并且在岸邊帶和開闊水體由不同屬主導。研究成果發表于土壤學期刊Journal of Soils and Sediments。

　　（7）首次在實際生態工程中，人為構建并強化了110公頃的厭氧氨氧化熱區工程。結果表明，嘉興石臼漾濕地的小溝岸邊帶系統不僅是厭氧氨氧化的熱區，還是各個氮循環過程的熱區，同時達到溫室氣體N2O減排的效果。該研究是前期自然生態系統厭氧氨氧化熱區研究成果的成功實例，可為水污染高效低耗的生態治理提供更加有效的技術支持。該成果發表于環境科學與工程期刊Environmental Science & Technology。

　　（8）基于前期對自然生態系統厭氧氨氧化的研究基礎，研究人員成功富集了顆粒化厭氧氨氧化團聚體，首次篩選出兼具高厭氧氨氧化活性、高生物穩定性和低溫室氣體N2O釋放等優點的優勢團聚體，同時深入剖析該團聚體的優勢成因。通過高通量對N2O的生成和消耗基因的研究表明，不完全反硝化和不充足碳源是厭氧氨氧化團聚體產生N2O的主要原因。該成果發表于水處理領域期刊Water Research。