铵厌氧氧化与铁还原耦合的微生物学机制及其生态效应

Human activities have added substantial nitrogen into terrestrial ecosystems, mainly via the use of ammonium-based fertilizers. Most ammonium-nitrogen fertilizers have been applied to agroecosystems, especially in the rice systems, causing a cascade of large scale impacts on water quality, human health and climate. However, it remains unclear the mechanisms underlying the transformation of ammonium-nitrogen in rice paddies and their adjacent wetlands. We previously found that soil microbes could catalyze the coupling of anaerobic oxidation of ammonium and iron reduction in a rice ecosystem. In the proposed research, we aim at investigating: 1) the generality of the coupling of anaerobic oxidation of ammonium and iron reduction, and 2) the microbial mechanisms of the coupling of anaerobic oxidation of ammonium and iron reduction. We expect that our results will provide insights into the coupled cycles of nitrogen and iron in terrestrial ecosystems.

人类通过合成氨、化石燃料燃烧以及固氮植物种植，输入大量氮进入农业生态系统，特别是稻田系统。据估算，稻田系统中氮，一半以上以各种途径流失，其中一部分通过渗漏与径流进入毗邻湿地及水体生态系统；对水体生态、人类健康及气候变化均可能产生显著影响。但是，稻田及湿地生态系统中铵态氮转化的机制目前仍然不是十分清晰。前期，我们通过研究发现，稻田土壤微生物，在厌氧条件下，能够调控铵的厌氧氧化与铁还原耦合反应。在此基础上，本项目将选取不同的稻田-湿地生态系统，重点探究铵厌氧氧化-铁还原耦合反应在不同稻田-湿地水体生态系统存在的普遍性及其可能的微生物学机制。本项目聚焦重大研究计划方向三，预期研究成果将进一步深化对陆地生态系统水圈氮的生物地球化学循环的理解，对农业生产、以及-湿地等水体生态系统生态保护与建设提供一定理论支撑。

稻田生态系统每年投入大量人工合成氮肥，尤其是铵态氮，以满足人类日益增长的粮食需求。目前，稻田生态系统铵态氮利用率仍然较低，大量的氮素以不同形式损失，其中一部分通过渗漏与径流进入毗邻湿地及水体生态系统，对水体生态、人类健康及气候变化均可能产生显著影响。尽管诸多研究探讨了铵态氮在森林和草地生态系统转化；但是，铵态氮在长期处于厌氧环境的稻田及其毗邻水体生态系统中转化的微生物生态学机制仍不十分清楚。本项目以稻田与湖泊生态系统为研究对象，聚焦铵态氮在稻田与湖泊生态系统中转化的微生物生态学机制，积极开展相关研究，取得显著进展与成果：1）发现在稻田土壤中存在一种属于Burkholderiales 目下新的自养细菌，在厌氧条件下该菌可以介导铵态氮与铁氧化物发生氧化还原反应，最终产生氮气，从而导致铵态氮素的损失；进一步研究发现大气CO2浓度升高通过促进自养细菌的生长，显著促进这一耦合过程。2）发现在湖泊生态系统的沉积物中，铵态氮在厌氧条件下也难以稳定存在，不仅铁氧化物，也包括锰氧化物在内，均可作为电子受体厌氧氧化铵态氮；并且，不同湖泊中厌氧氨氧化与锰还原耦合反应活性都要高于厌氧氨氧化与铁还原耦合反应活性。3）阐明湖泊沉积物中厌氧氨氧化与金属还原耦合反应的影响机制，发现其与湖泊的富营养化程度、沉积物pH和沉积物总碳含量紧密相关，并明晰了相关脱硫菌可能参与湖泊沉积物厌氧氨氧化与锰氧化物还原耦合反应。受本项目资助，相关研究成果发表在《Science Advances》、《Methods in Ecology and Evolution》等学术期刊。相关研究成果将有助于深入理解氮在陆地水圈中的生物地球化学循环及生态学效应；并可能对未来气候条件下我国氮肥合理生产与施用提供一定的理论依据。