亚热带酸性森林土壤硝化微生物及其对有机底物的响应

Nitrification of subtropical acidic forest soil has unique characteristics, such as low concentration of ammonia, weak net nitrification, unstable gross nitrification, high heterotrophic nitrification, etc. The "active" heterotrophic and autotrophic nitrifying microorganisms and their response to organic substrates in the soil still remain unknown. In this study, subtropical acid forest soil was used as research object to determine the heterotrophic and autotrophic nitrification rate, to study the "active" heterotrophic and autotrophic nitrifying microoganisms, to study the relative contribution of ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and ammonia-oxidizing archaea (AOA) to autotrophic nitrification, to study the response of AOA to organic substrates using the advanced molecular ecology technology, such as stable isotope probing (SIP) and high-throughput DNA sequencing methods. This study will greatly enrich the knowledge on nitrifying microorganism in subtropical acidic forest soil, and get innovative achievements on understanding the "active" heterotrophic nitrifying microorganism and the response of AOA to organic substrates. This study is of important significance for understanding the ecologic function of nitrifying microoganisms.

我国亚热带地区酸性森林土壤硝化作用具有独特性，即氨分子浓度低、净硝化作用弱、初级硝化作用强弱不一致、异养硝化作用突出。该类土壤"活跃的"异养和自养硝化微生物及其是否对有机底物存在响应尚不清楚。本项目拟选择该土壤为研究对象，测定土壤自养、异养硝化作用相对强度，采用DNA高通量测序等技术研究土壤中"活跃的"异养和自养硝化微生物，研究AOB、AOA对土壤硝化作用的贡献和土壤中AOA对有机底物的响应，探明异养硝化作用占主导和自养硝化作用占主导的我国亚热带酸性森林土壤硝化微生物特别是异养硝化微生物群落组成及其差异；探明亚热带酸性森林土壤AOB和AOA在自养硝化过程中的相对贡献及驱动因子；明确土壤AOA是否对有机底物存在响应等。本研究将在科学上极大地丰富对我国亚热带酸性森林土壤硝化微生物的认识，并在异养硝化微生物及土壤AOA对有机底物响应研究中取得创新性的成果，对理解硝化微生物生态功能具有重要意义。

本项目以我国亚热带酸性森林土壤为研究对象，联合运用15N同位素标记、稳定同位素核酸探针（SIP）、分子生态学分析等研究技术，来研究亚热带酸性森林土壤自养/异养硝化活性、“活跃的”硝化微生物群落及其对有机底物的响应。本项目重要研究结果有：（1）亚热带酸性森林土壤自养硝化和异养硝化速率的地域差异很大，自养硝化速率范围为0.31~8.68 µg N g-1 soil d-1，而异养硝化速率为0.01~0.95 µg N g-1 soil d-1，可见亚热带酸性森林土壤中自养硝化作用占据主导，但异养硝化作用普遍存在。（2）亚热带地区土壤中分布的氨氧化古菌（AOA）丰度显著高于氨氧化细菌（AOB），且隶属于Nitrososphaera的AOA类群占据数量优势，Nitrosotalea类群其次；但SIP研究表明亚热带酸性森林土壤中AOA是参与硝化功能的主要类群，且分布比例较少的Nitrosotalea发挥了主导作用。（3）选择农业利用土壤作为森林土壤对照，表明长期施肥改变了亚热带酸性土壤中“活跃的”氨氧化微生物群落丰度和组成，长期施化肥显著抑制了AOB活性，长期施有机肥显著抑制了土壤AOA活性；“活跃的”AOA和AOB类群分别为Nitrosotalea和Nitrosospira；土壤pH和NH3浓度是影响亚热带酸性土壤中氨氧化微生物活性的主导因子。（4）我国亚热带酸性森林土壤异养硝化作用普遍存在，即可以利用无机氮，也可以利用有机氮作为底物；亚热带酸性森林土壤中AOA可受γ-氨基丁酸等含氮有机物刺激生长。（5）不同土壤母质和不同利用方式影响了亚热带酸性森林土壤反硝化能力、微生物生物量及多样性，相较于利用方式，母质是主控因子；（6）土壤pH是影响亚热带酸性土壤硝化/反硝化作用的共同影响因子。上述研究结果加深了我们对亚热带地区酸性森林土壤的研究，特别是认识土壤中“活跃的”硝化微生物类群，在科学上极大地丰富对土壤硝化微生物及硝化作用微生物学机制的认识。针对古菌的研究发现，AOA在物质代谢上适应强酸和低底物浓度环境、特别是有机物质代谢上与AOB有显著不同，即AOA的生理代谢多样性较复杂，远超现有认识水平。