长期施肥对水稻土典型氨氧化菌和全程氨氧化菌种群活性和丰度的影响

【目的】通过研究长期施用有机肥和无机肥对硝化菌种群活性和丰度的影响,揭示其种群丰度变化与硝化活性之间的关系,为农业生产中减少温室气体排放和实现可持续发展提供科学依据。【方法】使用特异性抑制剂乙炔、1-辛炔和3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)等,结合实时荧光定量PCR技术(qPCR),分析水稻土长期不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、单施有机肥(M),以及化肥与有机肥配合施用(MNPK)4个处理的全程氨氧化菌(Comammox)、氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)种群活性和丰度,以及硝化螺菌(Nitrospira)和硝化杆菌(Nitrobacter)种群丰度差异。【结果】长期施用有机肥显著提高了Comammox和AOA的活性(双因素方差分析,P<0.001),在单施有机肥处理中,Comammox活性贡献比例高达64.2%,而施用无机肥仅显著促进了AOB的活性(双因素方差分析,P<0.001)。qPCR分析结果表明,有机肥处理显著提高了AOA、Nitrospira、Comammox分枝A和分枝B种群的丰度(双因素方差分析,P<0.001),而无机肥处理则显著提高了AOB和Nitrobacter的种群丰度(双因素方差分析,P<0.001)。相关性分析表明,AOA和Comammox的活性与土壤含水量、有机质、全氮、全磷、速效磷、碱解氮含量以及AOA和Nitrospira种群丰度显著正相关,Comammox活性还与Comammox分枝A丰度显著正相关;而AOB活性则与AOB和Nitrobacter种群丰度、硝态氮和速效钾含量呈显著正相关。【结论】Comammox对供试水稻土的硝化作用有着重要贡献,其活性和种群丰度主要受土壤含水量、有机质、全氮、全磷、速效磷和碱解氮等因子变化的影响。

酸性稻田全程氨氧化菌对氮肥施加的响应

为了揭示酸性稻田全程、半程氨氧化菌对增氮的响应与敏感性差异,通过盆栽实验,设置施加氮肥处理,测定分蘖期、抽穗期、成熟期全程及半程氨氧化菌的丰度,比较全程、半程氨氧化菌对施肥的响应敏感性。结果表明:未施肥与施肥情形下,分蘖期、抽穗期、成熟期土壤氨氧化菌的优势种群均为全程氨氧化菌(Clade A:3.24×10^(8)~7.24×10^(8) copies·g^(-1),Clade B:2.14×10^(8)~1.48×10^(9) copies·g^(-1))而非半程氨氧化菌(AOA:2.00×10^(7)~4.37×10^(7) copies·g^(-1),AOB:1.35×10^(7)~3.31×10^(7) copies·g^(-1))。施肥的主效应(Clade A:P=0.762,Clade B:氮素利用率=0.398)、生育期的主效应(Clade A:P=0.264,Clade B:P=0.237)、施肥与生育期的交互效应(Clade A:P=0.316,Clade B:P=0.294)均不显著,即全程氨氧化菌两大分支A和B季节变化并不显著,二者对尿素施加的响应并不敏感。未施氮肥与施加氮肥的情形下全程氨氧化菌丰度的环境调控因子可能有所不同。未施氮肥情形下,全程氨氧化菌的2个分支A(Clade A:R=-0.73,P=0.027)和B(Clade B:R=-0.75,P=0.019)的丰度均与土壤总氮含量呈负相关,预示着无外源性氮输入情形下,全程氨氧化菌的生长受土壤有机氮、氨化作用和游离氨负向调控。施加氮肥情形下,全程氨氧化菌尤其是分支A的丰度可能更多地受土壤pH、氧化还原电位(Eh)及NH_(4)^(+)-N含量的影响。氮肥的施加显著影响全程、半程氨氧化菌的群落共变性,致使Clade B丰度与AOA、AOB丰度的正向共变趋势消失。

全程氨氧化菌的发现、生态分布及其生理生化特性研究进展

自20世纪以来,研究人员一直认为硝化作用是顺承发生的,包括亚硝化和硝化两个生化反应过程,并由氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌这两种协同独立完成。全程氨氧化菌(Comammox)打破了硝化作用分为两步的认知,它能够独立将氨氮氧化为硝态氮,这对地球氮循环具有重要意义。与典型的硝化菌相比,Comammox具有补充响应的优势,如适宜在寡营养条件下生长等,这些都引起了研究者对Comammox在废水处理中作用的关注。文中概述了Comammox的发现过程、Comammox在各种生境中尤其是污水处理系统中的分布规律和丰度,以及其生理生化特性。最后,对污水处理系统中Comammox的研究方向进行展望,以提高对Comammox的认识。

污水生物处理系统中全程氨氧化菌的研究进展

全程氨氧化过程(complete ammonia oxidation,comammox),即在单一微生物comammox菌作用下,直接将氨氧化为硝酸盐的过程.全程氨氧化过程的发现打破了硝化过程分为2个步骤的固有看法,表明硝化过程可由单一微生物催化完成.Comammox菌对微生物氮素代谢、地球氮素循环和污水脱氮处理等研究领域均产生了重要影响.概述comammox菌的发现过程,总结归纳comammox菌的生理生态特征及环境分布特点,重点分析污水生物处理系统中comammox微生物存在的可能性及对氮素迁移转化的潜在影响.Comammox菌在低氧和低氨氮环境中具有竞争优势,对于短程硝化和厌氧氨氧化脱氮工艺的稳定性可能存在显著影响.最后针对污水生物处理系统中comammox菌的研究方向进行了展望.

不同类型稻田中全程氨氧化微生物的分异特征

选用微碱性氮贫瘠的上海市崇明岛稻田和微酸性氮丰富的南京市稻田剖面(0~50 cm),比较研究稻田土壤中氨氧化微生物类群丰度的差异及其环境驱动机制,评价其与氨氧化潜力的内在关系。结果表明,崇明稻田的净硝化速率为12.82~22.30 mg/(kg·d),明显高于南京稻田[4.26~7.46 mg/(kg·d)]。崇明稻田土壤剖面的Comammox amoA基因总拷贝数(Clade A与Clade B之和)均值为1 g 8.8×106拷贝,是南京稻田的2.4倍,且Clade A与Clade B的比值范围为2.5~12.7,证实了Comammox存在于2种不同类型的稻田土壤中。崇明稻田和南京稻田剖面的氨氧化细菌(AOB)的amoA基因拷贝数均值分别为1 g 3.75×108拷贝和1.23×108拷贝,氨氧化古菌(AOA)的amoA基因拷贝数均值分别为1 g 2.05×107拷贝和0.35×107拷贝,这2种菌群基因拷贝数均在10.1~20.0 cm土层达到最高。回归分析发现,2个稻田中氨氧化细菌(AOB)对氨氧化潜力的贡献率达到90%~94%,而Comammox仅为3%左右,表明氨氧化细菌(AOB)在氨氧化过程中发挥主要作用。

围垦对崇明东滩湿地全程氨氧化微生物的影响

全程氨氧化细菌(complete ammonia oxidizers,Comammox)的发现根本改变了学术界对硝化过程的认识,但其地理分异规律及对氮转化过程的贡献仍不清楚。本研究选择长江口崇明东滩不同围垦年限(0、27、51、86 a)稻田表层耕作土壤,采用好氧培养试验测定土壤硝化潜力;通过标靶功能基因amoA实时荧光定量硝化微生物的数量变异特征,包括全程氨氧化细菌(Comammox)、氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)。结果表明,与围垦0 a的自然滩涂湿地相比,围垦27、51、86 a的水稻土净硝化速率从N 2.24 mg/(kg·d)分别增加至N 19.3、11.6和11.4 mg/(kg·d),增幅高达5.1倍~8.7倍。AOA的丰度与围垦年限显著正相关。自然滩涂湿地中AOA和AOB的数量分别为0.34×107 copies/g和1.14×107 copies/g,围垦86 a后增幅最高可达27.9倍。自然滩涂湿地中Comammox Clade A和Clade B的amoA基因拷贝数高于围垦稻田土壤,且Comammox Clade A随着围垦年限增加其丰度显著增加。统计分析发现,AOB与土壤硝化速率显著正相关,可能在围垦水稻土氨氧化过程中发挥了重要作用;而Comammox Clade A和Clade B与土壤总有机碳(TOC)、铵含量(NH4+)呈显著负相关关系,可能更适应于营养贫瘠的滩涂自然湿地土壤。

全程氨氧化菌的发现及其进展研究

一百年以来,两段式硝化理论即氨氮先被氨氧化菌氧化为亚硝酸盐氮进而再被亚硝酸盐氧化菌氧化为硝酸盐氮得到了普遍认可。2015年,一种能够将氨氮在体内直接转化为硝态氮的全程氨氧化细菌(COMAMMOX)被人们发现,打破了传统的认知。现今,对COMAMMOX这种新的脱氮功能细菌已有较多的研究。对全程氨氧化作用的机理以及COMAMMOX细菌的发现、分布以及代谢特征进行了综述,结合现今的研究成果,也对COMAMMOX菌的工程应用提出了三个可能的应用方向:污水处理水厂出水的深度处理;减少N2O气体的排放;富营养化水体的修复。

澜沧江深大水库沉积物中全程氨氧化菌的垂直分化及其影响因素

水库对河流生源要素的影响及其生态效应已引起人们的日益关注.本研究探索了全程氨氧化菌在澜沧江深大水库沉积物中的垂直分化现象,选取不同深度沉积物,采用实时荧光定量PCR技术测定了全程氨氧化菌分支A和分支B,以及氨氧化古菌和氨氧化细菌的丰度,并采用高通量测序技术和系统发育分析研究了全程氨氧化菌的群落组成.结果表明,全程氨氧化菌分支B丰度和氨氧化细菌丰度随着沉积物深度增加而显著降低.系统发育分析表明分支B的占比很少,分支A中的Candidatus Nitrospira nitrosa(25.34%)和Nitrospira sp.SG-bin2(14.72%)是全程氨氧化菌中的主要优势物种.但只有Candidatus Nitrospira nitrificans的相对丰度随着深度增加而降低,并受到氨氮的显著影响.Chao1和Richness指数也随着沉积物深度增加而变小,氨氮和pH对α多样性也产生了显著影响.本研究表明全程氨氧化菌分支B在澜沧江水库沉积物中出现了生态位垂直分化,这些分化的环境效应还有待进一步深入研究.

白洋淀流域岸边带土壤全程氨氧化菌的分布特征及其生态网络研究

氨氧化途径一直被认为是硝化过程的限速步骤.新型氨氧化微生物—全程氨氧化菌(Complete Ammonia O_(x)idizer,Comammox)的出现更新了人们的认识.虽然全程氨氧化过程已被发现于多种自然生态系统,但其在水位波动环境,尤其是工程引水的岸边带系统,尚缺乏报道.采用宏基因测序技术及氮循环基因特异性分析,研究南水北调典型受水区Comammox的时空特征和潜在生态网络关系.结果表明,在白洋淀流域尺度,入淀河流岸边带系统中,Comammox相对丰度具有明显的时空分布特征.时间尺度上,Comammox相对丰度在枯水期(1455 TPM)显著高于丰水期(1115 TPM);空间尺度上,Comammox在上游山区丰度最高(1403 TPM),显著高于中游(山区/平原生态过渡区;515 TPM)和下游平原区(653 TPM).Spearman相关性分析结果表明,MC对Comammox相对丰度具有显著影响(p<0.05).与其他好氧氨氧化微生物相比,Comammox相对丰度显著高于氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing Bacteria,AOB),却低于氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing Archaea,AOA).其中,AOB与Comammox时空分布规律相似,而AOA与Comammox仅在时间上分布规律一致.通过构建分子生态网络分析,发现在中游山区/平原过渡区,好氧氨氧化微生物具有最高模块化水平,其中,Comammox是关键物种,Nitrospira nitrificans是关键群落连接者.本研究结果将为我们认识生态补水背景下河流氨氧化过程时空演替和功能趋势提供理论依据.

全程氨氧化菌(Comammox)在污水生物脱氮中的应用进展

探索高效污水生物脱氮技术一直是污水处理领域的热点问题,而对具有将氨氮直接氧化为硝酸盐氮能力的全程氨氧化菌(Complete ammonia oxidizers,Comammox)的发现重新定义了人们对氮循环的认识。如何将全程氨氧化应用于污水处理厂的生物脱氮可能是未来研究需要重点解决的问题。为此,系统地阐述了Comammox菌的微生物学分类、生化特性和代谢机制,分析了Comammox菌与其他脱氮功能微生物的相互作用,总结了Comammox的影响因素。最后提出了基于Comammox-厌氧氨氧化协同实现城市污水主流脱氮的初步设想,并对Comammox的未来研究方向进行了展望。

长期不同施肥量对全程氨氧化细菌丰度的影响

全程氨氧化细菌(Comammox Nitrospira)的发现彻底改变了对传统硝化作用的认知,其在生物地球化学氮循环中可能具有很重要的作用,并为硝化作用研究提供了新的思路,故需要有更多的工作去评估Comammox Nitrospira在不同生态系统中的分布,本试验选取西南大学长期定位试验田的3种不同施肥量的水稻土,分别为对照组(blank control)、常规施肥量(NPK)、高量施肥(1.5NPKS)处理土壤,进行硝化势及硝化微生物尤其是全程氨氧化细菌的测定.结果表明:(1)3种施肥量处理土壤中均检测出较高数量级的Comammox,分支A(Clade A)丰度(以干土计,下同)分别为9.0×107、1.7×108、7.2×108copies·g^(-1),而分支B(Clade B)丰度分别为1.5×107、1.2×107、1.7×107copies·g^(-1).(2)3种施肥土壤中AOA丰度为1.5×107~1.2×108copies·g^(-1),AOB丰度分别为2.0×105~9.3×107copies·g^(-1),均低于Comammox丰度,而不施肥条件下Comammox丰度与AOA、AOB的比值最大,分别为7.2、524.4.(3)Comammox Clade A丰度与Comammox Clade B的比值随施肥量增加而增加,且比值依次为6.1、14.4、43.1.(4)NPK、1.5NPKS两种N肥施用量下全程氨氧化细菌分支A丰度分别为对照组的1.9、8.0倍,氨氧化古菌(AOA)分别是对照组的3.2、7.2倍,氨氧化细菌(AOB)均比对照组显著增加2个数量级;硝化势也随施肥量增加而增大;但不同施肥量对分支B丰度却无显著影响.本试验结果表明Comammox广泛分布于中性紫色水稻土中,在水稻土中丰度均比AOA、AOB高,因此Comammox很有可能在中性紫色水稻土的硝化作用中有一定贡献;水稻土中Comammox以Comammox Clade A为主.

石臼漾人工湿地冬夏季全程氨氧化微生物的分布、群落结构及其影响因素研究

湿地作为水体与陆地之间的过渡地带,具有独特的生态环境特性,是氮循环反应的关键区域.研究湿地生态系统中的全程氨氧化过程(complete ammonia oxidation, comammox),解析该区域中comammox细菌的分布与群落结构特征,补充了此前该新型氨氧化微生物在湿地生态系统中分布特征的研究空白,对于完善comammox细菌在各种不同生态系统中分布情况的研究具有重要意义.本研究在石臼漾人工湿地中于冬夏两季分别采集了大沟中心、大沟边缘、小沟中心和小沟边缘的表层沉积物样品,利用PCR、荧光定量PCR和amoA功能基因高通量测序等方法,解析人工湿地中comammox细菌的时空分布与群落结构特征.主要研究结果如下:①所有样品中均检测到了comammox细菌,其丰度为1.77×10^5~4.07×10^7 copies·g^-1.冬季,comammox细菌丰度在大沟中高于氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria, AOB)和氨氧化古菌(ammonia oxidizing archaea, AOA),在小沟中高于AOB,但低于AOA;夏季,comammox细菌丰度在所有样点中均高于AOB和AOA.②冬夏两季样品中,comammox细菌丰度与底物NH+4-N浓度均呈负相关关系,且夏季样品中呈显著性负相关.③主坐标分析(Principle Coordinate Analysis, PCoA)与多样性分析结果表明,comammox细菌群落结构具有空间异质性,且冬季物种多样性高于夏季.

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。

施肥和淹水管理对水稻土氨氧化微生物数量的影响

全程氨氧化细菌(Complete ammonia oxidizers,Comammox)的发现被认为是氮循环研究的重要进展,但复杂土壤中Comammox与氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)共存的环境驱动机制尚不清楚。针对紫色水稻土长期定位试验的植稻淹水(夏季植稻施肥并且全年淹水)管理、休耕冬干(不植稻、不施肥,仅在夏季植稻期间淹水,冬季排水落干)管理,研究了施肥和水分管理对水稻土硝化潜势及氨氧化微生物类群丰度的影响。结果表明,植稻淹水土壤的硝化潜势显著高于休耕冬干,分别为25.0 mg·kg^-1·d^-1、2.11mg·kg^-1·d^-1,相差可达12倍之多。实时荧光定量PCR分析表明,两种管理方式下水稻土中均能检测到Comammox、AOA和AOB,并且其数量均为Comammox>AOA>AOB。植稻淹水中Comammox丰度分别为AOA的8.5倍、AOB的77.3倍,而休耕冬干中Comammox丰度分别为AOA的4.1倍、AOB的490.3倍。相比于休耕冬干管理,植稻淹水刺激了Comammox分支A(Clade A)、AOA和AOB的生长,三者增长倍数分别为9、3、42,但Comammox分支B(Clade B)的降幅高达两倍之多。这些结果表明,与休耕冬干管理相比,28年长期植稻淹水,可能导致水稻土氨氧化微生物类群长期处于低O2胁迫,并选择性促进了Comammox Clade A和AOA的生长,高强度施肥则显著促进了AOB生长,而ComammoxClade A和AOA则具有更广的铵态氮底物适应范围。未来应通过稳定性同位素示踪DNA技术,明确水稻土中数量上占优势的Comammox的功能意义及其与AOA和AOB的相对重要性。

湿地生态系统微生物驱动氮循环过程分析

立足湿地生态系统,针对微生物驱动氮循环过程,从菌属水平上分析总结关键环节的发生特点、分布情况、氮去除贡献,综合对比分析各环节的协同和竞争关系,酶水平上微生物的差异以及N_(2)O释放特征。对比分析认为,微生物驱动氮循环过程可分别以N_(2)、N_(2)O的形式实现氮去除,后者不符合环境保护的要求;驱动氮循环过程的微生物在不同生境条件下存在差异的根源在于,微生物在酶水平上的差异;有待开展系统性的量化评价,以推动湿地生态系统N_(2)O释放调控机制的建立。

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8.30×10^(7)copies·g^(-1)。NP处理土壤AOA-amoA基因丰度显著高于CK,达1.17×10^(9)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输入显著影响AOB-amoA、nirK和nosZ基因丰度,且湿季更为显著;而P输入显著影响干湿季土壤AOA-amoA和AOB-amoA基因丰度,但对反硝化功能基因丰度影响不显著。冗余分析表明,土壤pH、铵态氮、硝态氮、有效磷和土壤含水量是影响土壤氮循环功能基因丰度的主要因子。土壤氨氧化微生物和反硝化微生物的基因丰度对氮的输入比对磷的输入响应更灵敏。研究结果可为评估亚热带森林土壤养分生物有效性及其对全球变化的响应机制提供科学依据。

石灰性紫色土硝化作用及硝化微生物对不同氮源的响应

土壤中发生的硝化作用是对p H高度敏感的典型过程。本文采用室内恒温培养法,结合定量PCR和高通量测序,研究石灰性紫色土硝化作用以及氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)、氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)、亚硝酸盐氧化细菌(Nitrite-oxidizing bacteria,NOB)的丰度与群落结构对不同氮源的响应。结果表明:不同氮源均刺激土壤硝化作用的发生,CO(NH2)2处理下的净硝化速率最大,约是CK处理的4.76倍,(NH_4)2SO4和NH_4Cl处理下的净硝化速率分别为N 3.88和3.34 mg kg-1d-1。相比于(NH_4)2SO4和CO(NH2)2处理,NH_4Cl处理降低了硝态氮的累积量,抑制了铵态氮的减少量。AOB amo A基因拷贝数在28 d培养过程中变化显著(p<0.05),在(NH_4)2SO4和CO(NH2)2处理中呈先增长后降低趋势,在NH_4Cl处理中呈持续增长趋势;而AOA amo A基因拷贝数无显著变化(p>0.05)。说明石灰性紫色土硝化作用的主要推动者是AOB,而不是AOA。在28 d培养过程中,亚硝酸盐氧化细菌占总微生物的比例高于氨氧化细菌和古菌,意味着石灰性紫色土中可能存在全程氨氧化微生物(Comammox)。高通量测序的结果表明:石灰性紫色土中AOB的优势种群为亚硝化螺菌Nitrosospira Cluster 3,AOA的优势种群是土壤古菌Group 1.1b,NOB的优势种群是硝化螺菌Nitrospira。

土壤生态系统硝化微生物研究进展

微生物主导的硝化作用是生态系统中氮素循环的关键过程,其不仅与酸雨、温室气体、水体富营养化等环境问题的发生有关,还作用于土壤中氮素营养的转化,与人类生产生活密切相关。土壤生态系统中进行硝化作用的微生物包括细菌、古细菌、真菌等。这些微生物根据自身能量代谢类型的不同,利用不同的生物酶进行着不同机制的硝化作用。本文综述了目前已报道的生态系统中进行自养(经典自养硝化和全程氨氧化)和异养硝化作用的微生物类群、硝化作用关键酶及其编码基因类型、其在生态系统中多样的分布特征,以及其前沿的分子生态学研究方法。同时对不同类型硝化微生物类群今后的研究热点提出了展望,以期为系统地研究土壤生态系统中硝化微生物提供参考。

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-oxidizing bacteria,NOB)和全程氨氧化细菌(complete ammonia oxidizer,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。