賀紀(jì)正中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心(jzhe@)墨爾本大學(xué)獸醫(yī)與農(nóng)業(yè)科學(xué)學(xué)院(jizheng.he@.au)土壤氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵微生物過程2015-11-04,華中農(nóng)大基金委創(chuàng)新研究群體：持久性有毒污染物形態(tài)、環(huán)境過程與毒理效應(yīng)(江桂斌)基金委創(chuàng)新研究群體：環(huán)境微界面過程與污染控制研究(曲久輝)基金委創(chuàng)新研究群體：土地利用與生態(tài)過程(傅伯杰)

課題組名稱：土壤微生物生態(tài)學(xué)課題組歸屬：本研究組隸屬于城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室和土壤環(huán)境研究室主要研究方向：土壤微生物的組成、多樣性、分布特征C/N/S/Mn等元素微生物轉(zhuǎn)化的過程與機理污染土壤的生態(tài)風(fēng)險評價及修復(fù)課題組研究方向Theworld’smostlivablecity*RankedastheWorld'sMostLiveableCitybytheEconomistGroup'sIntelligenceUnit(2011)MolecularSoilEcologyGroupandLaboratory

FacultyofVeterinaryandAgriculturalSciences

TheUniversityofMelbourneSoilmicrobialecologyMicrobialprocessesofNtransformationsandNuseefficiencyEnvironmentalfateofantibioticresistancegenes招收博士生、博士后、訪問學(xué)者，發(fā)展國際合作報告內(nèi)容土壤微生物多樣性及研究方法土壤氮素循環(huán)和氨氧化菌研究展望全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會1998年公布的土壤定義為：土壤是陸地表面由礦物質(zhì)、有機質(zhì)、水、空氣和生物組成，具有肥力，能生長植物的未固結(jié)表層。生物是土壤的固有組成土壤作為資源的特征也包括:它是重要的生物資源庫,基因資源庫,代謝產(chǎn)物庫…。根際土壤作物根際地下（土壤）生態(tài)系統(tǒng)與地上生態(tài)系統(tǒng)之間緊密聯(lián)系，相互依存，共同決定著陸地生態(tài)的特征、過程和功能。

土壤微生物對全球生態(tài)系統(tǒng)功能如養(yǎng)分運轉(zhuǎn)、有機質(zhì)分解、土壤結(jié)構(gòu)維持、溫室氣體產(chǎn)生、環(huán)境污染物凈化的調(diào)節(jié)發(fā)揮著重要的作用。單位體積土壤所含微生物量1cm3

農(nóng)田土壤數(shù)十億個細(xì)菌細(xì)胞1萬個原生動物5公里長真菌菌絲OM聯(lián)合國人口基金會統(tǒng)計全球人口在2011年10月31日達(dá)到70億地球微生物總碳量與植物相當(dāng)，而總氮和總磷量約為植物的十倍。生物量微生物植物微／植總碳350–550560≈1:1總氮85–13010>10:1總磷9–141.05>10:1Datasource:Whitmanetal.,PNAS,1998單位：十億噸土壤是微生物的大本營，土壤微生物約為海洋微生物總量的十倍。但是,絕大部分土壤生物和功能還未被認(rèn)知土壤生物黑箱動、植物殘體有機污染物NH4＋CO2CH4NO3-,NxO,N2土壤生物研究具有巨大發(fā)展?jié)摿Z食安全的國家需求土壤生物多樣性和功能細(xì)菌真核生物古菌99%為未培養(yǎng)微生物土壤肥力演變與培育提高土壤生產(chǎn)力HowMicrobesCanHelpFeedtheWorld,2013.ReportonanAmericanAcademyofMicrobiologyColloquium,Washington,DC//December2012./index.php/browse-all-reports/800-how-microbes-can-help-feed-the-world全球變化

的國家需求土壤微生物溫室氣體生產(chǎn)與消耗CO2CH4N2O土壤碳庫平衡全球變化土壤污染修復(fù)的國家需求土壤生物多樣性農(nóng)藥、有機、無機污染物降解與清除土壤修復(fù)農(nóng)產(chǎn)品安全地表與地下水質(zhì)安全的國家需求土壤生物生源要素轉(zhuǎn)化肥料去向地面與地下水質(zhì)安全50年來我國肥料總用量的變化RNAProteinMetabolitesDNAFluxesPhysiologyTheOmics!!GenomicsTranscriptomicsProteomicsMetabolomicsPhenomics Glycomics Lipidomics Fluxomics報告內(nèi)容土壤微生物多樣性及研究方法土壤氮素循環(huán)和氨氧化菌研究展望全球氮循環(huán)包括四個過程：固氮作用，氨化作用，硝化作用和反硝化作用。氨氧化作用是硝化作用的第一個反應(yīng)步驟，也是限速步驟，是全球氮循環(huán)的中心環(huán)節(jié)。NCyclingProcesses氮素循環(huán)過程NH4+----NO3-CationexchangeNitrificationinhibitor肥效低下水體污染溫室氣體排放肥料(能源、經(jīng)濟)損失ProcessadjustmentAmmoniamonooxygenaseHydroxylamineoxidoreductase

一百多年來，人們一直認(rèn)為土壤生態(tài)系統(tǒng)中的硝化作用是氨氧化細(xì)菌（AOB）來完成的，直到2004年在海洋中發(fā)現(xiàn)大量氨氧化古菌(AOA)，2005年從海水中分離培養(yǎng)出第一株氨氧化古菌，2006年在土壤中發(fā)現(xiàn)氨氧化古菌占優(yōu)勢，對氨氧化微生物的認(rèn)識才發(fā)生了革命性的變化。Ammoniaoxidisingarchaea(AOA)vsammoniaoxidisingbacteria(AOB)insoilLeiningeretal.Nature442,806-809AOAamoAAOBamoA104105106107108109copiesg-1soilratioAOA/AOBsandy(RUD)limestone(GSF)pastureland(KRO)grassland(STO)tomato(B77T)vine(B77V)barley(E17)non-fert.(L-l)min.fert.(L-n)min.&org.fert.(L-h)non-tillaged(R-nt)ploughed(R-p)PristineAgricultural53141.52.52.35.42.82327814970933.526.562.991.937.471.871.421.27RatioofAOAtoAOBr=0.835**湖南祁陽酸性紅壤

氨氧化細(xì)菌(AOB)與古菌(AOA)PNRwithAOBr=0.91**PNRwithAOAr=0.87**不同施肥處理導(dǎo)致酸性紅壤AOB和AOA數(shù)量顯著變化，AOB和AOA與土壤硝化潛勢呈顯著正相關(guān)關(guān)系，預(yù)示土壤AOB和AOA都對土壤氨氧化起作用。Heetal.,2007,Environ.Microbiol.祁陽酸性紅壤中AOB和AOA的組成也發(fā)生顯著變化127.8 7.7 8.5276.618.928.561.9 AOA:AOB河南封丘堿性潮土Shenetal.,2008,Environ.Microbiol.CorrelationsofAOB(AOA)abundanceandpotentialnitrificationratesAOB：r=0.773,n=7,P<0.05*AOA：r=0.331,n=7,P>0.05在封丘堿性潮土上，不同施肥處理導(dǎo)致AOB組成和豐度的變化，但AOA組成和豐度沒有顯著變化，預(yù)示著該土壤上起作用的主要是AOB。在中性高氮土壤中加入牛尿刺激AOB的生長，加入硝化抑制劑完全抑制AOB的生長，而對AOA沒有顯著影響，證明在土壤中起硝化作用的主要是AOB。

AOBAOANitrificationrateNitrateleachingN2OEmissionAOBAOAAOBandAOAabundancevariedindifferentsoils

(Dietal.2009)在氮素含量較高的土壤中，AOB對氨氧化起主導(dǎo)作用，AOA的貢獻(xiàn)不明顯EstablishingSIPmethodforAOAandAOBinvestigation12Cincubation13CincubationAOAAOBAbundanceofamoAgeneinCsCldensitygradientsafter12C-/13C-CO2incubationAOA/AOBamoA基因在不同CsCl密度梯度上的DGGE圖譜Day14Day28Day14Day28AOB1.651.73Buoyantdensity(gml-1)13CO212CO2Day14Day28Day14Day281.651.73Buoyantdensity(gml-1)13CO212CO2AOA1.651.73Buoyantdensity(gml-1)Day14Day28Day14Day2812121212112122213CO212CO21.651.73Buoyantdensity(gml-1)Day14Day28Day14Day2812121212112122213CO212CO2Day14Day28Day14Day28112211221212112122213CO212CO21這些結(jié)果表明，AOA能夠固定13C-CO2進行自養(yǎng)生長，是該土壤中硝化作用的主要驅(qū)動者；首次為古菌參與土壤硝化作用提供了直接證據(jù)Zhangetal.2010,PNAS,107,17240-17245.

SoilSamplingpH(H2O)pH(KCl)HZ4.203.29YH4.213.34QJ4.363.66QY4.433.87TY4.473.89PartI:SoilmicrocosmincubationHZYHQJQYTYControl50ppmDCD10gsoil120mlSampleat0,7,15,30dayDCD,nitrificationinhibitordicyandiamide(C2H4N4)Treatments5%12CO2

5%12CO2+50ppmDCD5%13CO2

5%13CO2+50ppmDCDPartII:DNA-SIPincubationNetNitrificationactivityRelativeabundanceofamoAgeneinCsClgradientAOAAOAAOAAOAAOAAOBAOBBuoyantdensity(gml-1)12C13C13C+DCDDay0Day15Day30AOBLightHeavyDGGE

analysis

ofamoAgenesGroupI.1a-associatedGroupI.1b該研究揭示出酸性土壤中氨氧化古菌對硝化作用的主導(dǎo)貢獻(xiàn)IF9.267Soilsampling65soilsamplespHgradients

3.7~8.5HabitattypesForestAgriculturalGrasslandTeaorchardHuetal.,2013,SBB,JSSMechanismDiscussionAvailabilityofsubstrateammoniaNH3;pHinfluencesNH3availabilityandthegrowthofAOB;DifferentaffinityofAOAandAOBtoammonia.Heetal.,2012,SoilBiology&BiochemistryNitrogensourceforammoniaoxidizersNitrogenresourcesAOAandAOBAOAandAOBAvailabilityofammoniaunderacidicconditionspKa=9.25;25C,WaterContent:25%InfluenceofpHonspecificgrowthrateofsoilammoniaoxidisersAllison&Prosser1991SBB23,45-51HighaffinityforammoniasubstratebyAOAAOAAOBMartens-Habbenaetal.,2009,Nature

Brochier-Armanet等在2008年建議將中溫環(huán)境來源的古菌(中溫泉古菌,nonthermophilicCrenarchaeota)劃分為一個新門，作為古菌域的第三個主要類群—Thaumarchaeota(奇古菌門),這一劃分系統(tǒng)提出后迅速得到各方面研究證據(jù)的支持，近來發(fā)表的多數(shù)文章也已將“Crenarchaeota”更名為“Thaumarchaeota”.Heetal.2007.Quantitativeanalysesoftheabundanceandcompositionofammonia-oxidizingbacteriaandammonia-oxidizingarchaeaofaChineseuplandredsoilunderlong-termfertilizationpractices.EnvironmentalMicrobiology,9(9):2364-2374.(SCItimescited:360)Shenetal.2008.Abundanceandcompositionofammonia-oxidizingbacteriaandammonia-oxidizingarchaeacommunitiesofanalkalinesandyloam.EnvironmentalMicrobiology,10:1601-1611(Timescited:209)Chenetal.2008.Ammonia-oxidizingarchaea:importantplayersinpaddyrhizospheresoil?EnvironmentalMicrobiology,10:1601-1611(158)Dietal.2009.Nitrificationdrivenbybacteriaandnotarchaeainnitrogen-richgrasslandsoils.NatureGeoscience,2(9):621-624.(Timescited:226)Zhangetal.2010.Autotrophicammoniaoxidationbysoilthaumarchaea.PNAS,107(40):17240-17245.(Timescited:143)Zhangetal.2012.Ammonia-oxidizingarchaeaplaymoreimportantrolethanammonia-oxidizingbacteriainammoniaoxidationofstronglyacidicsoils.ISMEJournal,6:1032–1045.(Timescited:89)Heetal.2012.Newinsightsintomicrobialmechanismsofnitrificationinacidicsoils.SoilBiologyandBiochemistry,55:146-154.(Timescited:46)Huetal.2014.Ammonia-oxid