厌氧氨氧化研究的分子生态学进展

厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)通常指微生物在厌氧条件下,以亚硝酸根为电子受体,将铵根离子氧化成氮气的过程,主要由浮霉菌门(Planctomycetales)细菌驱动。厌氧氨氧化菌广泛分布于陆地与海洋生态系统里,在全球氮循环中发挥着重要的作用。本文综合分析了在群落水平、细胞水平、分子和组学水平下厌氧氨氧化过程的生态学研究进展,结合不同尺度下的方法与技术介绍,初步探讨和展望了不同生态系统中厌氧氨氧化的前沿问题与研究方向。     

厌氧氨氧化菌的特性与分类

       厌氧氨氧化是环境领域和微生物领域的一个重大发现,对于认识氮素生物地球化学循环、丰富微生物学理论和开发新型生物脱氮工艺均具有巨大的推动作用.近年来对厌氧氨氧化菌的研究取得了许多突破性成果,探明了个体形态特征、细胞化学组分特征、富集培养与分离特征、生理生化特征以及生态学特征,提出了厌氧氨氧化代谢模型,纯化研究了多种厌氧氨氧化酶,分离获得和分类鉴定了5属9种厌氧氨氧化菌,建立了厌氧氨氧化菌科(Anammoxaceae).本文系统介绍了厌氧氨氧化菌的特性,详细描述了9种已被鉴定的厌氧氨氧化菌.     

土壤-水稻系统砷的生物地球化学过程研究进展

本文综述了具有不同渗氧能力基因型水稻对土壤砷结合形态、水稻根表铁膜、砷吸收的影响以及不同根际氧化还原条件对土壤砷形态、水稻砷积累、砷转运载体表达的影响,分析了硅的不同施加量对水稻砷吸收的研究进展及其作用机制,从土壤铁矿物氧化和还原两个方面总结了根际铁循环对砷环境行为的影响以及对砷污染土壤修复的潜在价值,以期为最终降低水稻砷吸收提供理论参考。微生物介导的铁氧化还原对砷的环境行为如砷的溶解释放、吸附沉淀、形态转化等有重要影响,而铁细菌的胞外电子传递过程促进了铁的矿物相转化并耦合砷的钝化,在未来工作中值得进一步关注和研究。     

好氧氨氧化微生物生态学研究进展

好氧氨氧化对于水体氮平衡、土壤肥力和水体富营养化等具有重要意义。近年发现的氨氧化古菌,是除了氨氧化细菌外,驱动好氧氨氧化的微生物类群。为深入了解好氧氨氧化微生物,介绍了氨氧化细菌和氨氧化古菌的系统发育及其生态分布,概述了其环境影响因子及其对氨氧化的相对贡献。     

土壤氮循环微生物过程的分子生态学研究进展

固氮作用、硝化作用和反硝化作用是土壤微生物参与氮素循环的三个重要方面。自分子生态学方法应用于土壤学后,土壤微生物作用于氮素循环过程的机理研究取得了若干重要进展。包括:1)利用固氮菌的nifH基因作为分子标记研究有机质、氮素与固氮微生物之间的关系,发现固氮微生物的丰度和群落结构与土壤有机质含量呈正相关。然而,固氮微生物的丰度和群落结构与土壤速效N含量呈负相关,施用氮肥会抑制固氮微生物的生长,施氮土壤固氮微生物数量减少,多样性降低。2)以氨氧化微生物功能基因为探针,揭示了土壤pH与氨氧化微生物分布关系密切,碱性土壤中氨氧化细菌是硝化作用主要参与者,而酸性土壤中氨氧化古菌是硝化作用的主导者。土壤中N素的含量也影响氨氧化微生物的数量和群落结构,施入氮肥后氨氧化微生物的数量和活性增加。3)利用反硝化功能基因为分子标记研究土壤因子对反硝化细菌群落的影响,阐明了土壤可溶性有机碳、pH和土壤水分是影响反硝化细菌数量和群落结构的重要因子,并且发现土壤反硝化细菌与土壤反硝化能力和氧化亚氮释放之间存在着一定的联系,但这种联系在不同研究对象中存在差异,需要进一步确认。目前,利用分子生物学技术解析土壤氮素循环微生物生态功能取得了重要的进展,但还需进一步深入。今后,将采用包括同位素在内的示踪技术与分子生物学方法相结合共同分析氮循环不同代谢过程微生物种群间的相互关系以及氧化亚氮产生与硝化和反硝化微生物之间的关系。     

农田土壤好氧氨氧化和甲烷氧化交互作用机制的研究进展

从农田土壤生态系统中硝化和甲烷氧化的研究意义、氨氧化和甲烷氧化的功能微生物演替规律，以及二者交互作用机制三个方面综述了现阶段取得的主要研究成果，并进一步阐述了土壤碳氮元素生物地球化学循环机制研究的科学问题和面临的挑战。未来研究应充分利用学科交叉，结合宏观结果和土壤微观动态过程，揭示土壤中不可培养微生物代谢能力及其在土壤生物地球化学循环中的重要作用，逐步实现对土壤生态过程的预测和调控。     

铁作用下土壤氮素化学转化过程的研究进展

土壤中氮素的转化过程是氮素生物地球化学循环的关键环节,与当前诸多生态环境问题密切相关。传统观点认为土壤氮素转化过程须在微生物的参与下完成,但越来越多的研究发现化学过程同样发挥着重要的作用。目前相关研究多以铁作为氮素化学转化过程的电子供体或受体,并按照氮素的电子得失与去向将其划分为化学反硝化、化学硝化和化学固定过程。本研究以铁-氮之间氧化还原的耦合过程为基础对土壤中氮素化学转化的相关研究进行综合评述,着重探讨了土壤pH、固相界面、有机物浓度以及氮素水平等因素对该过程的影响机制。在此基础上,对相关工作提出建议与展望以供后续研究参考。     

厌氧氨氧化菌基质转化特性的研究

直接以氨为电子供体的反硝化反应是一种新的生物反应．作者对能进行这种生物反应的厌氧氨氧化菌混培物的基质转化特性作了研究．试验发现，除已被证实的硝酸盐外，亚硝酸盐和Ｎ２Ｏ也能作为厌氧氨氧化的电子受体；还发现，在厌氧氨氧化中可产生中间产物羟胺和联氨，彼此可相互转化．此外，对厌氧氨氧化的可能途径也作了初步探讨     

厌氧氨氧化菌基质转化特性的研究

直接以氨为电子供体的反硝化反应是一种新生物反应，作者对能进行这种生物反应的厌氧氨氧化菌混培物的基质转化特性作了研究。试验发现，除已被证实的硝酸盐外，亚硝酸盐和Ｎ２Ｏ也能作为厌氧氨氧化的电子受体；还发现，在厌忱氧中化中可产生中间产物羟胺和联氨，彼此可相互转化。此外，对厌氧氨氧化的可能途径也作了初步探讨。     

稻鳝种养模式对土壤氨氧化微生物群落多样性和结构的影响

为深入了解稻鳝种养模式对土壤氮循环关键微生物的影响,本研究采用Illumina MiSeq高通量测序系统,分析了稻鳝种养模式下氨氧化微生物[氨氧化古菌（AOA）、氨氧化细菌（AOB）和完全氨氧化微生物（Comammox）]的群落结构和多样性,以明确该模式对土壤氨氧化微生物群落的影响机制。试验设置两个处理（常规稻田处理和稻鳝种养处理）,分别在处理小区的中心区域和沟渠边缘区域取样,即：常规稻田中心区域（CCS）、常规稻田沟渠边缘区域（CMS）、稻鳝种养处理中心区域（ICS）和稻鳝种养处理沟渠边缘区域（IMS）。结果表明：与常规稻田处理相比,稻鳝种养模式显著降低了土壤pH,减少了稻田中心区域和边缘区域间有机质和总氮的含量差异,增加了土壤硝化势;相较于常规稻田处理,稻鳝种养模式显著提高了 AOA、Comammox Clade-A和Comammox Clade-B的丰富度,显著降低了 AOB的丰富度;同时,IMS显著提高了 AOA的群落多样性,但降低了 AOB的群落多样性;土壤pH、有机质和速效氮是影响氨氧化微生物的关键环境因子（P<0.05）;AOA和Comammox促进了土壤硝化速率,而AOB反之;稻鳝种养模式改变了氨氧化微生物群落的结构,并增强了氨氧化微生物之间的信息交流,使其内部连接更加紧密。研究表明,稻鳝种养模式通过改变土壤环境因子,特别是土壤pH、有机质和速效氮,显著影响了土壤氨氧化微生物群落的组成、结构和多样性,增强了氨氧化微生物之间的相互作用,对土壤氮循环关键微生物产生了重要影响。