人工湿地氮去除关键功能微生物生态学研究进展

人工湿地是一种能有效处理水体氮素污染的生态技术,其中微生物是驱动人工湿地系统中氮素去除的重要引擎。近20年来,随着分子生物学技术的广泛应用,有关人工湿地氮去除功能微生物生态学方面研究取得了一些重要进展。以硝化-反硝化作用和厌氧氨氧化作用这两种重要的人工湿地微生物脱氮途径为主,针对氨氧化细菌/古菌、厌氧氨氧化菌和反硝化菌等关键脱氮功能微生物的研究,重点归纳总结了目前有关这几类关键功能菌群在人工湿地中的丰度、活性、多样性、分布特征与影响因素,及其对废水中氮去除的作用,并在此基础上对今后的重点研究工作提出了展望。面向未来人工湿地氮去除关键功能微生物的研究应侧重其在污水净化和温室气体减排等方面的生态功能研究,同时加强其代谢过程与机制以及不同功能菌群间的关联研究。     

亚热带米槠天然林土壤氨氧化微生物对模拟氮沉降的响应

我国亚热带地区是全球氮沉降的热点区域。氮沉降会影响氨氧化微生物的丰度和群落结构,进而改变土壤微生物驱动的养分循环。目前对新近发现的完全氨氧化菌认识不足,极大地制约了对森林土壤氨氧化微生物响应氮沉降的整体认识。本研究以福建省三明市辛口镇格氏栲自然保护区长期模拟氮沉降处理土壤为研究对象,利用实时定量PCR方法,研究氨氧化微生物(包括氨氧化细菌AOB、氨氧化古菌AOA和完全氨氧化菌comammox Nitrospira),尤其是完全氨氧化菌的amoA基因丰度。模拟氮沉降处理包括:不添加N(CK)、低氮(添加40 kg N·hm^-2·a^-1,LN)和高氮(添加80 kg N·hm^-2·a^-1,HN)。结果表明: 8年的氮添加降低了土壤pH值和有机碳含量,提高了土壤硝态氮含量。供试土壤的AOB丰度低于检测限,无法获得目的片段。高氮处理显著提高了AOA丰度,但对完全氨氧化菌clade A和clade B丰度无显著影响。两种氮添加处理均降低了完全氨氧化菌/AOA值,表明氮添加降低了完全氨氧化菌在亚热带森林土壤氨氧化微生物类群中的相对竞争力。针对完全氨氧化菌clade A和clade B的扩增都存在非特异性产物,表明针对森林土壤的高特异性和覆盖度设计引物的必要性。Clade A和clade B丰度与总氮和铵态氮含量呈显著正相关,clade B丰度还与有机碳含量呈显著正相关。总之,模拟氮沉降提高了AOA在亚热带米槠天然林土壤硝化过程中的相对重要性,这些发现可为该地区应对全球变化和氮沉降的风险评估提供理论依据。     

从典型硝化细菌到全程氨氧化微生物：发现及研究进展

生物硝化过程在全球氮循环中起关键性作用,被认为由氨氮氧化成亚硝酸盐和亚硝酸盐氧化成硝酸盐两个步骤组成,分别由氨氧化微生物(Ammonia oxidizing microorganisms,AOM)和硝化细菌(Nitrite oxidizing bacteria,NOB)催化完成。AOM包括氨氧化细菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(Ammonia oxidizing archaea,AOA),AOB与AOA分布广泛,两者的相对丰度和氨氮浓度密切相关。2015年底,3个硝化螺菌属(Nitrospira)谱系Ⅱ的NOB被证实含有AOM的特征功能酶,包括氨单加氧酶(AMO)和羟胺脱氢酶(HAO),并证明NOB同时具有氨氧化和亚硝酸盐氧化的能力,命名为全程氨氧化微生物(Complete ammonia oxidizer,Comammox)。根据AMO的α亚基基因amoA的相似性将Comammox分为两大分支clade A和clade B。它们广泛分布于自然环境和人工系统,包括土壤(稻田、森林)、淡水(湿地、河流、湖泊沉积物、蓄水层)、污水处理厂和自来水厂等。本文综述了Comammox的发现及其最新的研究进展,并展望了Comammox作为氮循环关键功能菌群的研究方向和应用前景。     

湖泊氮素氧化及脱氮过程研究进展

自然界中氮的生物地球化学循环主要由微生物驱动,由固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用来完成。过去数十年间,随着异养硝化、厌氧氨氧化和古菌氨氧化作用的发现,人们对环境中氮素循环认识逐步深入,提出了多种脱氮途径新假说。对湖泊生态系统中氮素的输入、输出及其在水体、沉积物和水土界面的迁移转化过程进行了概括,对湖泊生态系统中反硝化和厌氧氨氧化脱氮机理及脱氮效率的最新研究进展进行了探讨,并对以后的氮素循环研究进行了展望。     

氨氧化古菌的生态学研究进展

上百年来细菌一直被认为是地球氨氧化过程的主要驱动者,2005年海洋中分离到迄今唯一的非极端环境泉古菌,发现其氧化氨态氮获得能源生长,是氨氧化古菌。氨氧化古菌和细菌对地球氨氧化过程的相对贡献率,是目前全球氮循环研究最重要的微生物生态学问题之一。已有的证据表明古菌在海洋氨氧化过程中发挥了重要作用,细菌则是土壤氨氧化过程的主要驱动者。本文重点探讨了原位自然环境下氨氧化古菌的生态学研究进展。     

氨氧化微生物生态学与氮循环研究进展

氮的生物地球化学循环主要由微生物驱动,除固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用外,近年还发现厌氧氨氧化是微生物参与氮循环的一个重要过程.同时,随着宏基因组学等分子生物技术的快速发展和应用,参与氮循环的新的微生物类群--氨氧化古菌也逐渐被发现.这两个重要的发现大大改变了过去人们对氮循环的认识,就近年有关厌氧氨氧化细菌、氨氧化古菌和氨氧化细菌的生态学研究进展作一简要综述.     

亚热带森林土壤氨氧化微生物和反硝化微生物功能基因丰度对氮磷输入的响应

为探究亚热带森林土壤氨氧化微生物和反硝化微生物对氮、磷输入的响应，2015年开始在钱江源国家森林公园设置氮磷模拟添加试验，包括对照(CK)、氮(N)添加、磷(P)添加和氮磷(NP)添加4种处理，于2021年4月(湿季)和11月(干季)采集土样，采用定量PCR的方法分析亚热带森林土壤氨氧化微生物(氨氧化古菌AOA、氨氧化细菌AOB和全程氨氧化菌comammox)amoA基因和反硝化微生物功能基因(nirS、nirK和nosZ基因)的丰度变化特征。结果表明：长期N输入显著降低土壤pH,但显著提高了土壤铵态氮和硝态氮含量，而长期P输入显著提高了土壤有效磷和总磷含量。氮的输入(N和NP处理)显著提高了干湿季土壤AOB-amoA基因丰度，且在N处理中最高，达8.30×10⁷ copies·g^-1。NP处理土壤AOA-amoA基因丰度显著高于CK,达1.17×10⁹ copies·g^-1。comammox-amoA基因丰度在不同季节间差异显著，其他基因丰度在不同季节间差异均不显著。双因素方差分析表明，N输入显著...     

氨氧化古菌及其在氮循环中的重要作用

氨氧化作用作为硝化过程的第一步,是氮素生物地球化学循环的关键步骤.长期以来,变形菌纲卢和',亚群中的氨氧化细菌一直被认为是氨氧化作用的主要承担者.然而,近年来研究发现氨氧化古菌广泛存在于各种生态系统中,并且在数量上占明显优势,在氮素生物地球化学循环中起着非常重要的作用.本文概述了氨氧化古菌的形态、生理生态特性及其系统发育特征,对比分析了氨氧化古菌和氨氧化细菌的氨单加氧酶及其编码基因的异同,综述了氨氧化古菌在水生和陆地等生态系统氮素循环中的作用,同时就氨氧化古菌在应用生态和环境保护领域今后的研究重点进行了展望.     

不同土地利用方式土壤氨氧化微生物和反硝化微生物时空分布特征

研究不同土地利用方式下氮循环相关微生物在不同土壤剖面的分布,可为认识和理解土壤氮转化过程提供科学依据。土壤氨氧化微生物和反硝化微生物在调节氮肥利用率、硝态氮淋溶和氧化亚氮(N₂O)排放等方面有着重要作用。以北京郊区农田和林地两种土地利用方式为研究对象,分析土壤氨氧化潜势和亚硝酸盐氧化潜势在0—100 cm土壤剖面上的季节分布(春季和秋季),并通过实时荧光定量PCR方法表征土壤氨氧化和反硝化微生物的时空分布特征。结果表明,农田土壤氨氧化潜势、亚硝酸盐氧化潜势、氨氧化微生物和反硝化微生物丰度均显著高于林地土壤,且随土壤深度增加而显著降低。除氨氧化古菌amoA基因丰度在不同季节间无显著差异外,春季土壤氨氧化细菌(amoA基因)、反硝化微生物nirS、nirK和典型nosZ I基因的丰度均显著高于秋季。土壤有机质、总氮、NH~+₄-N、NO~-₃-N含量与氨氧化微生物和反硝化微生物的功能基因丰度显著相关。综上,不同土地利用方式下土壤氮循环相关微生物的丰度与土壤氮素的可利用性和转化过程紧密相关,研究结果对土壤氮素利用和养分管理提供...     

好氧氨氧化微生物系统发育及生理生态学差异

作为好氧氨氧化的驱动者,氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)和细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)一直是氮的生物地球化学循环的研究热点之一。由于它们的相对丰度、群落结构和活性因环境而异,目前二者对全球氮循环的相对贡献仍存在争议。对培养物和环境样品的动力学、基因组学等研究结果表明,这种差异主要是由AOA和AOB的生理生态学差异导致的。氨浓度、pH、溶氧、温度等环境因素以及代谢途径等生理因素导致AOA和AOB的生态位分化。通过比较AOA和AOB在系统发育、对环境因子的响应以及代谢途径等方面的差异,对好氧氨氧化微生物相关研究成果进行概括和总结,以便深入了解它们在不同环境中对氮循环的相对贡献;同时对好氧氨氧化微生物今后的研究重点进行了展望。     

深海氨氧化古菌的环境适应基础及生态功能

氨氧化古菌是地球上丰度最高的微生物类群之一,驱动氮循环。尤其在深海,其相对丰度可达原核生物的20%-40%。然而,纯培养的缺乏严重阻碍了我们全面认知深海氨氧化古菌的生理特性和生态贡献。本文系统性地分析了深海环境特征与微生物适应性之间的关系,聚焦深海氨氧化古菌的潜在生存策略和代谢偏好。这些信息将有助于我们设计适用于深海氨氧化古菌的培养技术。此外,从系统发育和生理特性来看,深海氨氧化古菌与土壤或表层海洋来源的氨氧化古菌有显著区别,提示我们需要根据其特性重新估算全球海洋氮通量。     

厌氧氨氧化菌驱动脱氮途径的研究进展

厌氧氨氧化菌(anaerobic ammonia-oxidizing bacteria, AnAOB)的代谢多样性,使得该菌群能够在海洋、湿地和陆地等不同的自然生态系统中广泛分布,甚至在一些极热和极寒环境中也检测到了该菌群的存在。本文回顾并总结了厌氧氨氧化菌在不同生态系统中的发现、分布及脱氮贡献等方面的研究,分析了厌氧氨氧化菌分布的主要环境影响因素。该综述将帮助我们更好地理解全球氮循环中厌氧氨氧化菌的实际角色和功能,并基于厌氧氨氧化(anaerobicammoniaoxidation,anammox)过程,探究能与其进行协作的新型生物脱氮工艺,以期为这些工艺的研发和推广提供生态学基础和新的思考,从而实现脱氮工艺的技术变革。     

抑制剂在氨氧化微生物研究中的应用

在氨氧化微生物的相关研究中经常使用各类抑制剂,包括针对硝化作用的抑制剂和针对微生物生长的抑制剂。自发现氨氧化古菌以来,人们在氨氧化细菌抑制剂的基础上重新筛选和使用不同的抑制剂来满足氨氧化微生物研究的需求。抑制剂既可以加速氨氧化古菌的富集,也可以帮助研究者区分古菌与细菌对硝化作用的贡献以及它们自身合成代谢能力的差别。本文综述了各类抑制剂的使用浓度和抑制效果,包括双氰胺(DCD)、3,4-二甲基吡啶磷酸盐(DMPP)、丙烯基硫脲(ATU)等传统抑制剂,乙炔和辛炔等炔烃类抑制剂,一氧化氮清除剂以及抗生素等对氨氧化微生物的活性和生长有特异性或通用抑制能力的抑制剂。通过对氨氧化微生物抑制剂的归纳总结,可为氨氧化微生物研究过程中抑制剂的选择提供参考。     

古尔班通古特沙漠生物土壤结皮对氨氧化微生物生态位的影响

生物结皮作为荒漠地表的重要覆被类型, 在荒漠生态系统的氮素循环中扮演重要角色。融雪期为古尔班通古特沙漠生物结皮的复苏和生长提供了充足的水分, 也成为该沙漠氮素固定和转化的重要时期, 但该时期生物结皮如何影响驱动氨氧化转化的微生物群落动态尚未明确。因此, 我们利用荧光定量PCR (fluorescent quantitative PCR, qPCR)方法分析融雪期生物结皮与去除结皮不同土层(0-2, 2-5, 5-10和10-20 cm)氨氧化菌群丰度特征, 结合潜在硝化速率和土壤理化参数, 探究融雪期生物结皮对荒漠土壤氮素转化作用。结果表明: 氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)是古尔班通古特沙漠土壤优势氨氧化菌, 生物结皮对0-2 cm层土壤中AOA、氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB) amoA基因丰度具有显著抑制作用(P < 0.01), 对10-20 cm层土壤中AOA amoA基因丰度具有显著促进作用(P < 0.01)。冗余分析(redundancy analysis, RDA)表明, AOA、AOB amoA基因丰度主要受土壤含水量和铵态氮含量的影响, 占总条件效应的54.90%。氨氧化速率分析发现, 去除生物结皮显著降低古尔班通古特沙漠土壤硝化作用潜力(P < 0.001), 证实生物结皮对荒漠土壤氮素转化具有重要的调控作用。综上所述, 古尔班通古特沙漠氨氧化微生物的分布规律受环境因子调控, 特别是生物结皮可以通过调节土壤含水量和铵态氮含量影响AOA和AOB的空间生态位分化, 促进沙漠土壤的硝化作用。     

河口生态系统氨氧化菌生态学研究进展

由amoA基因编码的氨单加氧酶(AMO)所调控的氨氧化作用,是硝化作用的限速步骤和中心环节,而含有amoA基因的氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)多样性与环境因子关系密切,对缓解河口生态系统因人类活动造成的富营养化等环境问题具有特别重要的意义。水、陆和海交汇形成高度变异的具环境因子梯度的河口生态系统,是研究AOA和AOB生态学的天然实验室。河口AOA与AOB的群落组成、丰富度特征和生物有效性,与河口主要环境因子盐度、富营养化程度、植被、温度、碳、氮、硫、铁等,尤其是对盐度和富营养化有着较为强烈的响应。AOA和AOB多样性变化规律及其与河口特有的环境因子之间的相关性,应当是今后我国河口氨氧化菌研究的方向和重点。包括:(1)建立有效的氨氧化菌活性评价方法;(2)研究AOA的同化作用方式;(3)依据氨氧化菌分类和组成对河口环境变化的适应进化机制,建议可作为指示河口环境质量变化的生物标记;(4)将传统的分离培养方法与现代分子生物学研究方法相结合,筛选我国河口高效的氨氧化菌,并将其应用于生产。     

施肥方式对干旱半干旱地区土壤氨氧化微生物数量和群落的影响

氨氧化是硝化作用的限速步骤,也是评估土壤氮循环和提高氮肥利用效率的重要指标。以内蒙古农牧业科学院旱作实验站长期定位实验为基础,通过实时荧光定量PCR和末端限制性片段长度多态性分析,研究了5种施肥方式（单施氮肥、单施有机肥、氮磷钾配施、有机无机配施和不施肥）对土壤氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）群落丰度、结构和活性的影响。结果表明：单施氮肥、氮磷钾肥配施以及有机无机肥配施均能显著提高AOB的丰度以及土壤硝化潜势。Nitrosospiria cluster 3a.1是不施肥土壤中主要的AOB种群,而施用氮肥后优势种群转变为Nitrosospiria cluster 3a.2。Nitrosospiria cluster 3b的比例在施用有机肥处理土壤中显著升高。在干旱半干旱地区,土壤pH和含水量是解释AOB群落结构变化的关键环境因子。AOA的丰度在单独施用氮肥处理中显著升高,但不同施肥方式对AOA的群落结构没有显著影响。     

Phylogenetic and functional marker genes to study ammonia-oxidizing microorganisms (AOM) in the environment

The oxidation of ammonia plays a significant role in the transformation of fixed nitrogen in the global nitrogen cycle. Autotrophic ammonia oxidation is known in three groups of microorganisms. Aerobic ammonia-oxidizing bacteria and archaea convert ammonia into nitrite during nitrification. Anaerobic ammonia-oxidizing bacteria (anammox) oxidize ammonia using nitrite as electron acceptor and producing atmospheric dinitrogen. The isolation and cultivation of all three groups in the laboratory are quite problematic due to their slow growth rates, poor growth yields, unpredictable lag phases, and sensitivity to certain organic compounds. Culture-independent approaches have contributed importantly to our understanding of the diversity and distribution of these microorganisms in the environment. In this review, we present an overview of approaches that have been used for the molecular study of ammonia oxidizers and discuss their application in different environments.     

Effects of nitrogen addition on the abundance and composition of soil ammonia oxidizers in Inner Mongolia Grassland

Nitrogen accumulation in soil is increasing in Inner Mongolia which is resulted mainly from fertilization accompanied by conversion of large area of grasslands to croplands. Ammonia-oxidation is the key step of nitrification which is driven by ammonia-oxidizing microorganisms, and study on the response of ammonia-oxidizing microorganisms is necessary for understanding the effects of nitrogen fertilization on ecosystem functions. In this study, the abundance and community structure of soil ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and ammonia-oxidizing archaea (AOA) under long-term N addition of different rates (0, 1.75, 5.25, 10.5, 17.5, and 28 g N m^?2 yr^?1) in a typical steppe of the Inner Mongolia Grassland were investigated using quantitative real-time PCR, cloning and sequencing based on amoA gene. In addition, soil potential ammonia oxidation rate was analyzed. Our results demonstrated that, with the increase of nitrogen addition rate, soil pH declined gradually from 6.6 to 4.9, and potential ammonia oxidation rate also declined which was positively correlated with soil pH (P < 0.01), while the copy number of bacterial amoA gene increased and positively (P < 0.01) correlated with ammonia concentration in soil. The archaeal amoA gene copy number did not change a lot with N nitrogen addition rate below 10.5 g N/m², but significantly decreased with addition of 17.5 and 28 g N m^?2 yr^?1. Sequencing of clone libraries of treatments revealed that in the treatment without N addition, AOB was dominated by Cluster 3a1 of Nitrosospira with a proportion of 87%, while in the treatment with N addition of 28 g N m^?2 yr^?1, proportion of Cluster 2 increased significantly to 41%. All archaeal amoA sequences were affiliated with the soil/sediment clade, and no significant variation of community structure was found between the treatments without N addition and with 28 g N m^?2 yr^?1 addition rate. In conclusion, this study demonstrated significant effects of nitrogen addition on potential ammonia oxidation rate and compositions of ammonia-oxidation microorganisms, which may have important implications for evaluating the impacts of N accumulation on ecosystem functioning. Further, the effects of pH and ammonia concentration on the ammonia oxidation rate and compositions of ammonia-oxidation microorganisms were discussed.     

Effects of nitrogen addition on the abundance and composition of soil ammonia oxidizers in Inner Mongolia Grassland

Nitrogen accumulation in soil is increasing in Inner Mongolia which is resulted mainly from fertilization accompanied by conversion of large area of grasslands to croplands. Ammonia-oxidation is the key step of nitrification which is driven by ammonia-oxidizing microorganisms, and study on the response of ammonia-oxidizing microorganisms is necessary for understanding the effects of nitrogen fertilization on ecosystem functions. In this study, the abundance and community structure of soil ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and ammonia-oxidizing archaea (AOA) under long-term N addition of different rates (0, 1.75, 5.25, 10.5, 17.5, and 28 g N m^?2 yr^?1) in a typical steppe of the Inner Mongolia Grassland were investigated using quantitative real-time PCR, cloning and sequencing based on amoA gene. In addition, soil potential ammonia oxidation rate was analyzed. Our results demonstrated that, with the increase of nitrogen addition rate, soil pH declined gradually from 6.6 to 4.9, and potential ammonia oxidation rate also declined which was positively correlated with soil pH (P < 0.01), while the copy number of bacterial amoA gene increased and positively (P < 0.01) correlated with ammonia concentration in soil. The archaeal amoA gene copy number did not change a lot with N nitrogen addition rate below 10.5 g N/m², but significantly decreased with addition of 17.5 and 28 g N m^?2 yr^?1. Sequencing of clone libraries of treatments revealed that in the treatment without N addition, AOB was dominated by Cluster 3a1 of Nitrosospira with a proportion of 87%, while in the treatment with N addition of 28 g N m^?2 yr^?1, proportion of Cluster 2 increased significantly to 41%. All archaeal amoA sequences were affiliated with the soil/sediment clade, and no significant variation of community structure was found between the treatments without N addition and with 28 g N m^?2 yr^?1 addition rate. In conclusion, this study demonstrated significant effects of nitrogen addition on potential ammonia oxidation rate and compositions of ammonia-oxidation microorganisms, which may have important implications for evaluating the impacts of N accumulation on ecosystem functioning. Further, the effects of pH and ammonia concentration on the ammonia oxidation rate and compositions of ammonia-oxidation microorganisms were discussed.     

Simazine application inhibits nitrification and changes the ammonia-oxidizing bacterial communities in a fertilized agricultural soil

s-Triazine herbicides are widely used for weed control, and are persistent in soils. Nitrification is an essential process in the global nitrogen cycle in soil, and involves ammonia-oxidizing Bacteria (AOB) and ammonia-oxidizing Archaea (AOA). In this study, we evaluated the effect of the s-triazine herbicide simazine on the nitrification and on the structure of ammonia-oxidizing microbial communities in a fertilized agricultural soil. The effect of simazine on AOB and AOA were studied by PCR-amplification of amoA genes of nitrifying Bacteria and Archaea in soil microcosms and denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) analyses. Simazine [50?μg g(-1) dry weight soil (d.w.s)] completely inhibited the nitrification processes in the fertilized agricultural soil. The inhibition by simazine of ammonia oxidation observed was similar to the reduction of ammonia oxidation by the nitrification inhibitor acetylene. The application of simazine-affected AOB community DGGE patterns in the agricultural soil amended with ammonium, whereas no significant changes in the AOA community were observed. The DGGE analyses strongly suggest that simazine inhibited Nitrosobacteria and specifically Nitrosospira species. In conclusion, our results suggest that the s-triazine herbicide not only inhibits the target susceptible plants but also inhibits the ammonia oxidation and the AOB in fertilized soils.