酸性土壤中硝化作用的微生物学机理研究

酸性土壤在我国广泛分布，但其中硝化作用的过程和机理尚不清楚。过去一直认为氨氧化细菌(AOB)是执行硝化作用关键步骤即氨氧化作用的主要微生物，但在一些酸性土壤中AOB与硝化作用无关，或检测不到AOB。近年发现泉古菌在自然界广泛存在，尤其在酸性土壤中含量丰富，一些类群如氨氧化古菌(AOA)也具有氨氧化作用且数量高于AOB，但对于AOB和AOA对酸性土壤硝化作用的贡献如何不清楚。因此，本项目拟对我国典型酸性土壤中氨氧化古菌、氨氧化细菌和泉古菌的组成多样性、分布和活性等进行系统研究，探讨这些微生物多样性变化对土壤硝化活性的影响，及它们与其它土壤因子之间的相互关系；在此基础之上，应用基于DNA分析的稳定性同位素探测技术开展室内模拟研究，综合评价这些微生物在酸性土壤硝化过程中的作用，以探讨酸性土壤中硝化作用发生的微生物学机理，为提高酸性土壤氮肥利用效率、保持土壤持续生产力提供理论和实践指导依据。

酸性土壤(pH<5.5)在世界范围和我国分布广泛，是我国热带亚热带经济作物如茶树、林木、果树和粮食作物的重要产地。硝化作用是土壤氮素转化的关键过程，除影响土壤中无机氮对植物的有效性外，酸性土壤中的硝化作用对土壤进一步酸化、增加铝对植物的毒性、硝酸盐淋溶和氮氧化物排放都有重要影响。过去一直认为氨氧化细菌(AOB)是执行硝化作用关键步骤即氨氧化作用的主要微生物，但在一些酸性土壤中AOB与硝化作用无关，或检测不到AOB。近年发现氨氧化古菌(AOA)也具有氨氧化作用，且在多数环境中数量高于AOB，但对于AOB和AOA对酸性土壤硝化作用的贡献如何不清楚。因此，本项目采集了一系列包括茶园、森林和农田在内的典型酸性土壤，利用高通量测序技术研究了其中氨氧化古菌、氨氧化细菌和泉古菌(近年更名为奇古菌)的多样性分布特征及其驱动因子，并利用稳定性同位素标记技术结合室内模拟培养研究，鉴定了酸性土壤中起主导作用的氨氧化微生物类群，探讨了氨氧化细菌和氨氧化古菌对酸性土壤添加石灰改良的响应和适应机制。取得以下成果：(1)对代表不同pH梯度的65个样品进行了高通量测序分析，发现土壤中奇古菌门(Thaumarchaeota)、AOA和AOB的群落结构变化主要受土壤pH驱动，随土壤pH增加，AOA和AOB的群落结构组成发生明显演替，土壤pH是引起不同氨氧化微生物类群生态位分化的决定性因子；(2)通过微宇宙培养研究发现，多数酸性土壤的硝化活性与AOA的生长明显相关，而与AOB的无关，运用13C-CO2稳定性同位素探针技术对其中一个酸性茶园土壤进行了标记，发现AOA是该酸性土壤中硝化作用的主要驱动者，酸性土壤中较低的NH3基质浓度以及AOA对NH3的高亲和力使得其与AOB竞争底物时处于优势，从而在酸性土壤硝化作用中占主导地位，和其他研究发现一起解释了酸性土壤硝化作用发现的原因，揭示了AOA和AOB的生态位分化特征；(3)研究了添加氧化钙改良酸性土壤对硝化作用和氨氧化微生物的长期和短期影响，发现添加氧化钙可快速刺激AOB但抑制AOA的活性，这种变化随时间延长而减弱，表明当环境条件发生变化时，二者交替作用共同驱动酸性土壤硝化作用，这一结果也解释了酸性土壤中AOB存在的生态学意义。本项目研究成果发表SCI论文2篇，一篇在投，中文核心期刊3篇，培养研究生3名。