水陆交错带厌氧氨氧化反应热区的发生机理与关键驱动机制

The discovery of anaerobic ammonium oxidation (anammox) hotspot in nature has greatly changed our understanding of the traditional microbial nitrogen cycle. More than 50 percent of nitrogen gas (N2) produced in marine ecosystem can be attributed to the anammox hotspot occurring in intersection area of ocean currents. In terrestrial ecosystems, anammox hotspot occurred in riparian zone with the contribution up to 37 percent to N loss. However, the key driving mechanism and related microbial process of anaerobic ammonium oxidation hotspot are still not known. .Previous study of the project revealed that nitrite was the limiting factor of the activity in the anammox hotspot. The intermittent fluctuations of the water level in the riparian zone may provide substrate nitrite for anammox bacteria through aerobic ammonium oxidation. When the ammonium is insufficient, dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) could also consume the toxic nitrite, and meanwhile provide ammonium for anammox. Thus, we speculate that aerobic ammonium oxidation coupled with DNRA may be the key driving microbial process for the occurrence of anammox hotspot in the riparian zone. .This project aims to explore the driving mechanism of anammox hotspot in the riparian zone. Isotope tracer technique will be used to detect the activities of various microbial N cycle process. The key functional gene of each N cycle microorganism will be analyzed through high-throughput sequencing techniques. Through the above methods, we aim to find out the key driving mechanism and related microbial process (aerobic ammonium oxidation and DNRA) of the anammox hospot. The results of this project would supplement and revise the theory system of nitrogen cycle in terrestrial ecosystem and provide theoretical basis for the calculation of global nitrogen cycle balance and flux.

厌氧氨氧化及反应热区在自然界的发现，显著改变了人们对氮循环的认识。海洋厌氧氨氧化热区发生于洋流交汇区，对氮气的贡献率超50%；在陆地系统，厌氧氨氧化反应热区发生于水陆交错带，氮气贡献率达37%。目前对厌氧氨氧化反应热区的研究局限于发现层面，对其发生机理还未见报道。.前期研究发现底物亚硝酸盐是厌氧氨氧化反应热区发生的限速因子。间歇性水位波动能促进好氧氨氧化过程，为厌氧氨氧化反应提供更多亚硝酸盐；底物氨氮不足时，硝酸盐异化还原成铵（DNRA）又将亚硝酸盐还原为氨氮，实现底物间的动态调配。因此，推测好氧氨氧化与DNRA的耦合作用很可能是水陆交错带厌氧氨氧化反应热区发生的关键驱动机制。.本项目拟采用新开发的同位素示踪方法分别精确测定不同氮循环过程的反应速率，同时采用高通量测序分析相应功能基因，深入剖析厌氧氨氧化反应热区的发生机理与关键微生物驱动机制。研究结果将对陆地氮循环模式和通量计算有重要意义。

厌氧氨氧化热区多发现于两相介质交汇区，如，海洋的洋流交汇区、陆地的水陆交错带等，对氮循环起到重要作用，显著改变了人们对氮循环的认识。但目前尚无相关机理的报道。获资助以来，本项目采用新开发的同位素示踪方法和高通量测序分析技术，围绕湿地水陆交错带系统，在时空尺度研究好氧氨氧化、硝酸盐异化还原成铵（DNRA）等氮循环过程对厌氧氨氧化热区发生的核心作用机制与微生物过程效应。主要成果如下：.1.基于前期自然生态系统研究成果，成功构建了厌氧氨氧化热区，并发现该区域还是硝化、反硝化的热区，对人工湿地氮气生成、氨氮去除和温室气体N2O减排均起到了不可忽视的作用；高活性的DNRA和氨氧化提供高效的底物调控，驱动热区形成。同时，富集并筛选出兼具高活性、高生物稳定性、强抗冲击负荷性能和低N2O释放的优势团聚体，为高效低耗的水环境水生态污染治理提供理论支持。.2.作为热区形成的关键驱动过程之一，DNRA在陆地水生态系统中分布广泛，其在湿地岸边带的硝酸盐还原中起关键作用，甚至与反硝化贡献相当；而在均质化水生态系统中作用有限。厌氧氨氧化仅在水域沉积物中起一定作用。综上，DNRA细菌在人类生态系统中的生态位远比已知的丰富，是硝酸盐微生物还原群落的关键connector菌，对氮转化的贡献具有强异质性。.3.作为一种新型氨氧化过程，全程硝化细菌（comammox）的发现改变了人们对硝化过程的传统认识。研究发现AOA主导水陆交错带界面和农田土壤的氨氧化过程，而comammox主导水陆交错带陆向边缘土壤、厌氧氨氧化主导界面沉积物的氨氧化过程。在岸边带系统中comammox很可能是一个重要但目前被低估了的微生物硝化过程。.依托本项目支持，在Water Research、Environmental Science & Technology、Science of the Total Environmental等期刊公开发表学术论文共10篇，二修阶段稿件1篇，含SCI论文9篇，中文核心2篇。申请国家发明专利1项。项目负责人评聘为中国科学院生态环境研究中心副研究员；入选2021年度中国科学院青年创新促进会会员；与国内多家科研院所合作培养博士后1名和研究生3名。