湿地岸边氮循环反应的研究进展

　　湿地岸边带作为连接内陆水体与陆地生态系统的交界面，不仅是氮循环反应的“热区”，亦是温室气体——氧化亚氮的高释放区。前期大量研究表明湿地岸边带系统能够有效拦截陆源污染和净化水体，但其微观机理仍不清楚。

　　中国科学院生态环境研究中心祝贵兵研究组通过构建针对各氮循环反应微生物功能基因的高通量测序分析、同位素示踪技术等方法解析不同氮循环反应过程，对湿地岸边带系统各界面开展全面系统研究。目前已取得一系列研究进展，分别发表在土壤学、环境微生物学、环境科学与工程领域的TOP杂志，充分体现了多学科交叉的特点。分述如下：

　　（1）构建了针对厌氧氨氧化菌功能基因（hzsB基因）的高通量测序技术，并应用于青藏高原高海拔梯度厌氧氨氧化细菌的多样性和群落组成研究。结果显示在641米到5033米高度两种土壤类型中存在三种已知厌氧氨氧化菌属（Candidatus Brocadia、Candidatus Jettenia、Candidatus Kuenenia）。其多样性、群落组成和丰度并未显示出显著的海拔效应，而旱地土壤比湿地土壤具有更高的厌氧氨氧化菌多样性。研究成果发表于MicrobiologyOpen。

　　（2）旱地土壤氮气产生过程主要发生在20cm以上表层土壤，与厌氧氨氧化、n-damo两种新型氮循环过程相比，反硝化是氮气产生主导过程（85.0-99.0%）。而在亚表层及深层土壤，则由厌氧氨氧化反应主导氮气产生过程（65.4-79.4%）。研究成果发表于环境微生物学期刊Environmental Microbiology。

　　（3）分析与厌氧氨氧化菌共存的菌种可知，新型产氮气过程硝酸盐型厌氧甲烷氧化菌n-damo零星分布于全球表层土壤和深层土壤（最深达63 m），表明旱地土壤不能为damo菌生长代谢提供良好的生境，因此局限了旱地土壤在全球CH4循环中的潜在作用，研究成果发表于土壤学期刊Soil Biology Biochemistry。

　　（4）前期已知，好氧氨氧化过程可在多种环境中为厌氧氨氧化反应提供关键底物亚硝酸盐，对其执行菌种AOA和AOB的研究表明，被激活的AOB过程主导氨氧化过程，比细胞速率的提高是AOB速率提高的根本原因，关键执行菌属为Nitrosomonas，研究成果发表于环境科学与生态学期刊Science of the Total Environment。

　　（5）通过测定冬季和夏季湖泊岸边带的氧化亚氮产生速率以及反硝化微生物，来研究氧化亚氮产生的微生物机制。发现氧化亚氮生产者（nirS，nirK）和氧化氮还原者（nosZ clade I和nosZ clade II）在湖泊岸边带的分布具有显著的异质性。nirS和nosZ clade I 型反硝化作用在开阔水体沉积物（持续淹水区）中占优势。而在代表非持续淹水区的样品含有更多的nirK型反硝化菌和nosZ clade II型反硝化菌。最终得出反硝化微生物的群落结构影响氧化亚氮产生速率。研究成果发表于环境科学与生态学期刊Science of the Total Environment。

　　（6）为了改善大型湖泊富营养化状况，发挥岸边带在氮素去除过程中的“热区”作用，研究人员调查了氮循环主要过程微生物在岸边带和开阔水体中的分布差异。结果显示在巢湖岸边带，不同氮循环微生物群落的结构与分布受到不同环境因子的影响。氨氧化古菌（AOA）和厌氧氨氧化细菌的分布呈现明显的空间异质性；反硝化细菌和DNRA细菌主要受到温度的影响；氨氧化细菌（AOB）丰度受到空间和温度的双重影响，并且在岸边带和开阔水体由不同属主导。研究成果发表于土壤学期刊Journal of Soils and Sediments。

　　（7）首次在实际生态工程中，人为构建并强化了110公顷的厌氧氨氧化热区工程。结果表明，嘉兴石臼漾湿地的小沟岸边带系统不仅是厌氧氨氧化的热区，还是各个氮循环过程的热区，同时达到温室气体N2O减排的效果。该研究是前期自然生态系统厌氧氨氧化热区研究成果的成功实例，可为水污染高效低耗的生态治理提供更加有效的技术支持。该成果发表于环境科学与工程期刊Environmental Science & Technology。

　　（8）基于前期对自然生态系统厌氧氨氧化的研究基础，研究人员成功富集了颗粒化厌氧氨氧化团聚体，首次筛选出兼具高厌氧氨氧化活性、高生物稳定性和低温室气体N2O释放等优点的优势团聚体，同时深入剖析该团聚体的优势成因。通过高通量对N2O的生成和消耗基因的研究表明，不完全反硝化和不充足碳源是厌氧氨氧化团聚体产生N2O的主要原因。该成果发表于水处理领域期刊Water Research。