不同林龄杉木人工林土壤硝化和反硝化作用

对不同林龄杉木人工林(5、8、21、27和40年生)土壤硝化与反硝化过程及功能微生物丰度进行研究。结果表明: 土壤净硝化速率随林龄的增加波动变化,8、27年生杉木人工林土壤净硝化速率显著低于5、21和40年生。27年生杉木人工林土壤氨氧化古菌(AOA) amoA基因丰度显著低于40年生,其他林龄AOA amoA基因丰度之间无显著差异。不同林龄杉木人工林的氨氧化细菌(AOB) amoA基因丰度、反硝化功能基因丰度以及反硝化潜势均无显著差异。逐步回归分析表明,土壤氨氧化微生物AOA amoA基因丰度受土壤理化性质的影响不显著,土壤总碳和土壤pH是影响AOB丰度的重要因子。反硝化功能基因narG、nirK及nosZ随土壤pH的增加而增加,编码亚硝酸盐还原酶(NIR)的功能基因(nirK、nirS)受土壤总碳的影响。林龄可通过影响AOA amoA基因丰度影响土壤净硝化速率。林龄直接作用于反硝化潜势,或间接影响土壤微生物生物量碳、土壤pH及反硝化功能基因丰度(narG和nirK),进而影响反硝化潜势。相较于反硝化过程,土壤硝化作用及AOA amoA基因丰度对杉木林分发育更加敏感,可适当延长轮伐期以降低土壤硝化作用造成的氮流失风险。     

微生物的硝化作用和反硝化作用

微生物在自然界中大量存在、广泛分布.它们当中有些能将无机物转变成有机物,而有些却能分解有机物成无机物.大自然中正因为有这些微生物的存在而保持了物质的平衡,其中微生物的硝化作用和反硝化作用,在自然界氮循环中起着重要作用. (一)硝化作用 1.硝化作用的含义在亚硝化细菌和硝化细菌的作用下,氨被氧化成硝酸的过程称为细菌的硝化作用.至今仍未发现有一类菌能直接将氨转变成硝酸,而是必须通过两类菌的共同作用,才能完成这一过程.所以说硝化过程包括两个阶段: 第一阶段,在亚硝化细菌的作用下,氨被氧     

宏基因组技术研究泥岩母质发育的三种不同pH紫色土硝化微生物群落演变规律

【目的】揭示典型农田旱地紫色土硝化微生物的群落组成及其对pH的响应规律。【方法】针对同一母质发育但pH差异显著的3种紫色土,利用宏基因组技术深度测序研究土壤中硝化微生物丰度和群落,包括氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA),氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB),亚硝酸盐氧化细菌(nitrite-oxidizingbacteria,NOB)和全程氨氧化细菌(completeammoniaoxidizer,Comammox)。【结果】土壤中硝化微生物的丰度占总微生物的2.130%–6.082%。3种紫色土中AOA、AOB和NOB的相对丰度有显著差异:酸性紫色土中AOA的相对丰度显著大于碱性紫色土,而AOB则相反;NOB的相对丰度在中性紫色土中最高。所有土样中均发现了1种全程氨氧化细菌Candidatus Nitrospira inopinata (Ca. N. inopinata),其在中性紫色土中相对丰度最高,占总微生物的0.203%。3种不同pH紫色土中AOA均以Nitrososphaera为主,NOB均以Nitrospira为主;酸性紫色土中AOB以Nitroscoccus为主,而中性和石灰性紫色土中则以Nitrosospira为主。Pearson相关性分析发现,土壤pH和铵态氮是影响硝化微生物丰度最大的两个因子。【结论】Comammox存在于3种不同pH紫色土中,且偏好中性环境;AOA、AOB和NOB群落结构和相对丰度都存在显著差异,结合相关性分析发现土壤pH和铵态氮是导致差异最重要的两个因子。     

重庆紫色水稻土中“全程”和“半程”氨氧化微生物的垂直分异

【目的】系统评估全程氨氧化细菌(complete ammonia oxidizing bacteria, Comammox bacteria)、半程氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)在典型水稻土剖面的垂直分异规律。2015年发现的"全程"氨氧化细菌(Comammox Nitrospira)可将氨分子一步氧化为硝酸盐,实现硝化作用。而经典的"半程"氨氧化细菌(AOB)或古菌(AOA)将氨分子氧化为亚硝酸盐后,再由系统发育完全不同的硝化细菌将其氧化为硝酸盐。全程氨氧化细菌实现了一步硝化全过程,根本改变了学术界对2类微生物分步硝化的经典认知,但相关研究仍处于初步阶段。【方法】选择重庆北碚地区2017年典型水稻土并采集5、10、20和40 cm不同深度土壤(剖面采样点的上下误差不超过1cm),提取水稻土总DNA后,利用标靶功能基因amoA,通过实时荧光定量PCR技术分析全程氨氧化细菌(Comammox)、半程氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)在水稻土不同深度的数量变异规律。【结果】半程氨氧化细菌AOB和古菌AOA均随土壤深度增加呈显著下降趋势。然而,全程氨氧化细菌的两大类微生物则表现出相反的规律,Comammox Clade A的丰度随着土壤剖面的加深而显著增加(P0.05),但Clade B并未有类似规律。Clade A在水稻土不同层次的土层中均比Clade B高出1个数量级,在5 cm和40 cm处的最低和最高值分别为3.42×10~7、8.46×10~7 copies/g。AOA与AOB的丰度大致相当,5cm剖面处数量最高分别为1.23×10~7、1.83×10~5copies/g,但其平均丰度远低于全程氨氧化细菌,Comammox与AOA、AOB amoA功能基因拷贝数之比为10–2000。【结论】全程氨氧化细菌(Comammox bacteria)广泛分布于水稻土不同土层中,且数量远高于"半程"氨氧化细菌和古菌,意味着Comammox可能在水稻土硝化作用中起重要作用。     

小兴安岭酸性泥炭土硝化作用的类型及其驱动因子

以小兴安岭酸性森林泥炭土为研究对象,通过加入10 mL·L^-1乙炔及不同浓度的外源硫酸铵(0、1.2、6.0 mmol N·kg^-1)进行硝化培养试验,探究酸性泥炭土中硝化作用类型及主要驱动因子.结果表明:无论有无外加氮源,酸性泥炭土均存在较强的矿化作用(0.9～1.4 mg N·kg^-1·d^-1),经过2周的培养均发生了硝化作用(0.4～0.6 mg N·kg^-1·d^-1),且不同浓度硫酸铵处理之间无显著差异;而乙炔处理虽有较强的矿化作用(0.8 mg N·kg^-1·d^-1),但未发生明显的硝化作用(0 mg N·kg^-1·d^-1),说明该酸性泥炭土以自养硝化为主,外源无机氮源浓度对硝化作用无显著影响,硝化底物NH₃的主要来源不是外源硫酸铵,更可能来源于土壤中有机氮的矿化.培养0～14 d,无论有无外加氮源,酸性泥炭土氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)丰度均显著增加,但不同浓度硫酸铵处理间无显著差异,表明外源无机氮浓度对氨氧化微生物的生长无显著促进作用.与不加乙炔的对照相比,乙炔处理AOB和AOA丰度随时间均无显著变化,推测AOA与AOB在该酸性泥炭土的硝化过程中都可能起一定的作用.     

长白山阔叶红松林土壤氮转化过程对长期施氮和降水变化的响应

土壤氮循环是森林生态系统主要的生物地球化学过程之一,具有重要的环境效应.本研究以长白山阔叶红松林为对象,通过人工氮添加和透明V型板截雨模拟氮沉降(NF)、降水减少(RR)以及两者交互作用(RF),分析了土壤硝化作用、反硝化作用,以及硝化功能微生物(氨氧化古菌AOA和氨氧化细菌AOB)、反硝化功能微生物(nirK、nirS和nosZ)和固氮功能微生物(nifH)对NF、RR及RF作用的响应.结果表明: 土壤硝化作用与土壤NH₄⁺-N、反硝化作用与土壤NO₃^--N含量呈显著正相关关系;土壤硝化作用和反硝化作用未因3种处理而发生显著变化,反硝化作用表现出明显的季节性动态变化;长期RR处理抑制了长白山阔叶红松林土壤净硝化作用,NF和RF处理则促进了其净硝化作用;nifH和nosZ菌群具有较强的抗胁迫能力,其多样性不易受氮水变化影响,干旱条件下nirK群落组成更容易受氮沉降影响;AOA对干旱具有较高敏感性,AOB对NF和RF处理具有较高敏感性.3种处理可不同程度影响土壤净硝化作用,并改变AOB、AOA和nirK基因反硝化微生物多样性,进而可能影响森林土壤含氮气体释放并改变森林生态系统服务.     

珠江河口湿地沉积物硝化作用强度及影响因素研究

采用现场调查和实验室模拟的方法,研究了珠江河口红树林、芦苇和光滩表层湿地沉积物氨氧化细菌(AOB)的分布、硝化强度及其主要影响因素。研究结果表明:三种不同生态环境中AOB数量差别较大。温度、pH、盐度和氨氮的浓度对沉积物硝化作用均有影响。其中盐度和pH对沉积物硝化强度影响最为显著,较高的盐度和较低的pH对硝化过程有明显的抑制作用。偏碱性环境下(pH=8.5)红树林、芦苇和光滩的硝化强度分别是偏酸性环境(pH=6.5)时2.5倍。最适宜的硝化温度在28℃左右,氨氮对氨氧化细菌的生长有促进作用,在含氨氮浓度较高的培养液中硝化强度较强。大型植物根系对硝化作用有明显的促进作用,对河口湿地氮循环具有重要的意义。     

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。     

微生物在近海氮循环过程的贡献与驱动机制

人类活动导致海岸带氮超载而富营养化,进而引起更多的生态环境问题.在全球变化背景下,进一步揭示微生物驱动的氮循环过程的驱动机制及贡献,对评价与预测近海生态系统服务功能变化、管理决策等至关重要.本文介绍了固氮、氨化、硝化、反硝化、硝酸盐铵化、厌氧氨氧化过程在近海多种生境沉积物中的生物地球化学(速率、通量、贡献)与微生物生态学(功能类群丰度)特征及时空变化规律,阐述温度、溶氧、盐度、活性溶解有机碳、无机氮、沉水植物、底栖动物活动等因素对各过程速率的影响及对各竞争性类群或过程(氨氧化细菌/氨氧化古菌,反硝化/硝酸盐铵化/厌氧氨氧化)的调控机制,并简析了海岸带微生物氮循环研究所面临的机遇与挑战.     

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。     

亚热带常见造林树种对土壤细菌及微生物功能群的影响

为揭示亚热带人工林常见造林树种对森林土壤微生物群落的影响,本研究选取马尾松、米老排、枫香、冬青、火力楠、麻栎和光皮桦7个树种为研究对象,采用16S rRNA高通量测序和实时荧光定量PCR技术,探究不同树种土壤细菌的多样性、群落构成以及微生物功能群基因丰度。结果表明: 变形菌门、酸杆菌门和放线菌门是亚热带造林树种的优势细菌门,不同树种细菌多样性和丰富度指数无显著差异。冗余分析表明,土壤容重、土壤C/N、凋落物氮和凋落物C/N是影响土壤细菌组成的主要环境因子。不同造林树种土壤中氨氧化古菌、氨氧化细菌和完全氨氧化菌amoA基因丰度均具有显著差异。完全氨氧化菌在数量上占据优势地位,但只有氨氧化古菌amoA基因丰度与土壤硝态氮呈显著正相关关系,表明氨氧化古菌在亚热带酸性森林土壤自养硝化作用中可能发挥主要作用。相关分析表明,凋落物氮是不同树种影响氨氧化微生物丰度变化的关键驱动因子。本研究表明,土壤微生物功能群对树种的响应比细菌群落结构更加敏感,未来应从微生物功能群角度深入探究不同造林树种对森林生态系统功能的影响机制。     

湖泊微生物硝化过程研究进展

湖泊中微生物介导的硝化作用在生境内部氮周转和温室气体N_2O释放方面扮演着关键的角色。因此,研究湖泊微生物硝化过程及速率有助于我们整体评估湖泊生境内部的氮循环状态,全面认识湖泊响应区域乃至全球气候变化的规律。本文综述了湖泊生境中硝化过程及其驱动微生物和影响因素,包括氨氧化过程、亚硝酸盐氧化过程和完全氨氧化过程,同时聚焦前沿,归纳了氨氧化古菌、氨氧化细菌和完全氨氧化菌产生N_2O的机制和相对贡献。最后对湖泊硝化过程研究现状和未来发展方向提出总结和展望。     

Nitrite-oxidizing bacteria guild ecology associated with nitrification failure in a continuous-flow reactor

Nitrification is an important process for nitrogen removal in many wastewater treatment plants, which requires the mutualistic oxidation of ammonia to nitrate by ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and nitrite-oxidizing bacteria (NOB). However, this process can be quite unpredictable because both guilds are conditionally sensitive to small changes in operating conditions. Here, dynamics are examined within the NOB guild in two parallel chemostats operated at low and high dilution rates (0.10 and 0.83 day(-1), respectively) during periods of varying nitrification performance. NOB and AOB guild abundances and nitrogen-oxidation efficiency were relatively constant over time in the 0.10 day(-1) reactor; however, the 0.83 day(-1) reactor had two major disturbance episodes that caused destabilization of the NOB guild, which ultimately led to nitrification failure. The first episode caused the extinction of Nitrospira spp. from the system, resulting in chronic incomplete ammonia oxidation and nitrite accumulation. The second episode caused complete loss of nitrification activity, likely resulting from metal toxicity and the previous extinction of Nitrospira spp. from the system. These results exemplify the types of changes that can occur within the NOB guild that result in process impairment or failure, and provide one possible explanation for why nitrification is often unstable at higher dilution rates.     

完全氨氧化菌的分子生态学研究进展

硝化作用是氮素循环的核心环节,一直是土壤生物化学研究的热点之一。2015年,完全氨氧化菌(Comammox)的发现颠覆了两步硝化的传统观点,丰富了土壤氮素循环的理论体系。完全氨氧化菌能够独立执行整个硝化过程,具有将氨直接氧化成硝酸盐的能力。本文从完全氨氧化菌的定量检测方法、系统发育及组学分析入手对其分子生态学的国内外研究进展进行了系统综述,着重阐述了完全氨氧化菌在土壤中的多样性和分布规律。未来的研究可以针对以下内容开展:1)探索完全氨氧化菌的分子标志物,设计特异性引物,使其具有更高的分子覆盖度,从而完善完全氨氧化菌多样性的研究;2)优化完全氨氧化菌分离培养技术,富集分离得到更多完全氨氧化菌富集物或纯培养,完善完全氨氧化菌生理生化特性的研究;3)对完全氨氧化菌的功能和活性进行原位表征,并解析其对土壤硝化过程的贡献,阐明完全氨氧化菌的生态学特征,为促进土壤氮素良性循环和生态环境保护提供科学依据。     

酸性土壤氨氧化微生物及其影响因素研究进展

自然条件变化和人类活动不仅加剧了土壤酸化,扩大了酸性土壤面积,而且严重影响了土壤氮循环。氨氧化过程作为硝化作用的限速步骤,是全球氮循环的核心环节,受到国内外研究者的广泛关注。探究酸性土壤氨氧化作用及其功能微生物对完善氮循环机制和促进土壤养分循环具有重要意义。本文主要综述了土壤中氨氧化代谢途径,对比了氨氧化细菌(ammoniaoxidizing bacteria, AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)和全程硝化菌(complete ammoniaoxidizers,Comammox)对酸性土壤氨氧化作用的相对贡献,分析了微生物内源功能差异及pH、底物浓度等外部环境因素对氨氧化微生物丰度、活性和群落结构的影响,最后对氨氧化微生物研究进行了展望,以期为酸性土壤氨氧化作用研究和微生物修复技术应用与实践提供科学参考。     

间作对马铃薯种植土壤硝化作用和硝态氮供应的影响

土壤硝态氮供应对满足作物氮素需求至关重要,但间作如何影响土壤硝态氮供应及其作用机制尚不清楚。本研究基于4个氮水平(N₀, 0 kg·hm^-2; N₁, 62.5 kg·hm^-2; N₂, 125 kg·hm^-2; N₃, 187.5 kg·hm^-2)的马铃薯单作、马铃薯与玉米间作小区试验,分析土壤硝态氮含量与强度、硝化势和氨氧化功能基因丰度的差异,探讨间作影响土壤硝态氮供应和氮调控的机理。结果表明: 土壤硝态氮含量和强度随施氮量增加而升高,但同一施氮水平下间作均低于单作。施氮提高了土壤硝化势,且单作的响应高于间作。土壤中氨氧化细菌(AOB)的amoA基因丰度大于氨氧化古菌(AOA),二者在间作时均随施氮量增加呈现先增加后降低的趋势;相同施氮量下,间作的AOA和AOB基因丰度(除N₂外)均低于单作。相关分析、回归分析和主成分分析显示,马铃薯间作后,土壤AOB、AOA的amoA基因丰度下降,硝化势减弱,导致土壤硝态氮含量和强度降低。因此,间作导致土壤硝态氮供应降低与土壤氮转化的微生物过程有关,间作条件下的马铃薯种植应注意保障土壤氮素供应。     

Seasonal variations of nitrifying community in trickling filter-solids contact (TF/SC) activated sludge systems

Two full-scale trickling filter/solids contact (TF/SC) basin plants, each successfully performing nitrification, were sampled throughout various seasons over a period of one year. Concentrations of ammonia, nitrate and nitrite were measured at various sampling locations along the treatment train. DNA was also extracted from mixed liquor in the solids contact basins. These DNA samples were subjected to terminal restriction fragment length polymorphism (TRFLP) in order to profile the ammonia oxidizing bacteria and nitrite oxidizing bacteria communities. In both plants, there was a prevalence of Nitrosomonas europaea among the ammonia oxidizing bacteria (AOBs). However, during the summer months, there was increased diversity of Nitrosomonas species. Likewise, Nitrospira spp. was the dominant nitrite oxidizing bacteria (NOBs) in both plants regardless of season. Yet there was an increased presence of Nitrobacter among the NOBs in the summer months. These results add an important understanding of the ecology and dynamics in nitrifying population in full-scale TF/SC wastewater treatment plants.     

Rapid nitrification involving comammox and canonical Nitrospira at extreme pH in saline-alkaline lakes

Nitrite-oxidizing bacteria (NOB) catalyse the second nitrification step and are the main biological source of nitrate. The most diverse and widespread NOB genus is Nitrospira, which also contains complete ammonia oxidizers (comammox) that oxidize ammonia to nitrate. To date, little is known about the occurrence and biology of comammox and canonical nitrite oxidizing Nitrospira in extremely alkaline environments. Here, we studied the seasonal distribution and diversity, and the effect of short-term pH changes on comammox and canonical Nitrospira in sediments of two saline, highly alkaline lakes. We identified diverse canonical and comammox Nitrospira clade A-like phylotypes as the only detectable NOB during more than a year, suggesting their major importance for nitrification in these habitats. Gross nitrification rates measured in microcosm incubations were highest at pH 10 and considerably faster than reported for other natural, aquatic environments. Nitrification could be attributed to canonical and comammox Nitrospira and to Nitrososphaerales ammonia-oxidizing archaea. Furthermore, our data suggested that comammox Nitrospira contributed to ammonia oxidation at an extremely alkaline pH of 11. These results identify saline, highly alkaline lake sediments as environments of uniquely strong nitrification with novel comammox Nitrospira as key microbial players.