賀紀正中國科學院生態環境研究中心(jzhe@)墨爾本大學獸醫與農業科學學院(jizheng.he@.au)土壤氮素轉化的關鍵微生物過程2015-11-04,華中農大基金委創新研究群體：持久性有毒污染物形態、環境過程與毒理效應(江桂斌)基金委創新研究群體：環境微界面過程與污染控制研究(曲久輝)基金委創新研究群體：土地利用與生態過程(傅伯杰)

課題組名稱：土壤微生物生態學課題組歸屬：本研究組隸屬于城市與區域生態國家重點實驗室和土壤環境研究室主要研究方向：土壤微生物的組成、多樣性、分布特征C/N/S/Mn等元素微生物轉化的過程與機理污染土壤的生態風險評價及修復課題組研究方向Theworld’smostlivablecity*RankedastheWorld'sMostLiveableCitybytheEconomistGroup'sIntelligenceUnit(2011)MolecularSoilEcologyGroupandLaboratory

FacultyofVeterinaryandAgriculturalSciences

TheUniversityofMelbourneSoilmicrobialecologyMicrobialprocessesofNtransformationsandNuseefficiencyEnvironmentalfateofantibioticresistancegenes招收博士生、博士后、訪問學者，發展國際合作報告內容土壤微生物多樣性及研究方法土壤氮素循環和氨氧化菌研究展望全國科學技術名詞審定委員會1998年公布的土壤定義為：土壤是陸地表面由礦物質、有機質、水、空氣和生物組成，具有肥力，能生長植物的未固結表層。生物是土壤的固有組成土壤作為資源的特征也包括:它是重要的生物資源庫,基因資源庫,代謝產物庫…。根際土壤作物根際地下（土壤）生態系統與地上生態系統之間緊密聯系，相互依存，共同決定著陸地生態的特征、過程和功能。

土壤微生物對全球生態系統功能如養分運轉、有機質分解、土壤結構維持、溫室氣體產生、環境污染物凈化的調節發揮著重要的作用。單位體積土壤所含微生物量1cm3

農田土壤數十億個細菌細胞1萬個原生動物5公里長真菌菌絲OM聯合國人口基金會統計全球人口在2011年10月31日達到70億地球微生物總碳量與植物相當，而總氮和總磷量約為植物的十倍。生物量微生物植物微／植總碳350–550560≈1:1總氮85–13010>10:1總磷9–141.05>10:1Datasource:Whitmanetal.,PNAS,1998單位：十億噸土壤是微生物的大本營，土壤微生物約為海洋微生物總量的十倍。但是,絕大部分土壤生物和功能還未被認知土壤生物黑箱動、植物殘體有機污染物NH4＋CO2CH4NO3-,NxO,N2土壤生物研究具有巨大發展潛力糧食安全的國家需求土壤生物多樣性和功能細菌真核生物古菌99%為未培養微生物土壤肥力演變與培育提高土壤生產力HowMicrobesCanHelpFeedtheWorld,2013.ReportonanAmericanAcademyofMicrobiologyColloquium,Washington,DC//December2012./index.php/browse-all-reports/800-how-microbes-can-help-feed-the-world全球變化

的國家需求土壤微生物溫室氣體生產與消耗CO2CH4N2O土壤碳庫平衡全球變化土壤污染修復的國家需求土壤生物多樣性農藥、有機、無機污染物降解與清除土壤修復農產品安全地表與地下水質安全的國家需求土壤生物生源要素轉化肥料去向地面與地下水質安全50年來我國肥料總用量的變化RNAProteinMetabolitesDNAFluxesPhysiologyTheOmics!!GenomicsTranscriptomicsProteomicsMetabolomicsPhenomics Glycomics Lipidomics Fluxomics報告內容土壤微生物多樣性及研究方法土壤氮素循環和氨氧化菌研究展望全球氮循環包括四個過程：固氮作用，氨化作用，硝化作用和反硝化作用。氨氧化作用是硝化作用的第一個反應步驟，也是限速步驟，是全球氮循環的中心環節。NCyclingProcesses氮素循環過程NH4+----NO3-CationexchangeNitrificationinhibitor肥效低下水體污染溫室氣體排放肥料(能源、經濟)損失ProcessadjustmentAmmoniamonooxygenaseHydroxylamineoxidoreductase

一百多年來，人們一直認為土壤生態系統中的硝化作用是氨氧化細菌（AOB）來完成的，直到2004年在海洋中發現大量氨氧化古菌(AOA)，2005年從海水中分離培養出第一株氨氧化古菌，2006年在土壤中發現氨氧化古菌占優勢，對氨氧化微生物的認識才發生了革命性的變化。Ammoniaoxidisingarchaea(AOA)vsammoniaoxidisingbacteria(AOB)insoilLeiningeretal.Nature442,806-809AOAamoAAOBamoA104105106107108109copiesg-1soilratioAOA/AOBsandy(RUD)limestone(GSF)pastureland(KRO)grassland(STO)tomato(B77T)vine(B77V)barley(E17)non-fert.(L-l)min.fert.(L-n)min.&org.fert.(L-h)non-tillaged(R-nt)ploughed(R-p)PristineAgricultural53141.52.52.35.42.82327814970933.526.562.991.937.471.871.421.27RatioofAOAtoAOBr=0.835**湖南祁陽酸性紅壤

氨氧化細菌(AOB)與古菌(AOA)PNRwithAOBr=0.91**PNRwithAOAr=0.87**不同施肥處理導致酸性紅壤AOB和AOA數量顯著變化，AOB和AOA與土壤硝化潛勢呈顯著正相關關系，預示土壤AOB和AOA都對土壤氨氧化起作用。Heetal.,2007,Environ.Microbiol.祁陽酸性紅壤中AOB和AOA的組成也發生顯著變化127.8 7.7 8.5276.618.928.561.9 AOA:AOB河南封丘堿性潮土Shenetal.,2008,Environ.Microbiol.CorrelationsofAOB(AOA)abundanceandpotentialnitrificationratesAOB：r=0.773,n=7,P<0.05*AOA：r=0.331,n=7,P>0.05在封丘堿性潮土上，不同施肥處理導致AOB組成和豐度的變化，但AOA組成和豐度沒有顯著變化，預示著該土壤上起作用的主要是AOB。在中性高氮土壤中加入牛尿刺激AOB的生長，加入硝化抑制劑完全抑制AOB的生長，而對AOA沒有顯著影響，證明在土壤中起硝化作用的主要是AOB。

AOBAOANitrificationrateNitrateleachingN2OEmissionAOBAOAAOBandAOAabundancevariedindifferentsoils

(Dietal.2009)在氮素含量較高的土壤中，AOB對氨氧化起主導作用，AOA的貢獻不明顯EstablishingSIPmethodforAOAandAOBinvestigation12Cincubation13CincubationAOAAOBAbundanceofamoAgeneinCsCldensitygradientsafter12C-/13C-CO2incubationAOA/AOBamoA基因在不同CsCl密度梯度上的DGGE圖譜Day14Day28Day14Day28AOB1.651.73Buoyantdensity(gml-1)13CO212CO2Day14Day28Day14Day281.651.73Buoyantdensity(gml-1)13CO212CO2AOA1.651.73Buoyantdensity(gml-1)Day14Day28Day14Day2812121212112122213CO212CO21.651.73Buoyantdensity(gml-1)Day14Day28Day14Day2812121212112122213CO212CO2Day14Day28Day14Day28112211221212112122213CO212CO21這些結果表明，AOA能夠固定13C-CO2進行自養生長，是該土壤中硝化作用的主要驅動者；首次為古菌參與土壤硝化作用提供了直接證據Zhangetal.2010,PNAS,107,17240-17245.

SoilSamplingpH(H2O)pH(KCl)HZ4.203.29YH4.213.34QJ4.363.66QY4.433.87TY4.473.89PartI:SoilmicrocosmincubationHZYHQJQYTYControl50ppmDCD10gsoil120mlSampleat0,7,15,30dayDCD,nitrificationinhibitordicyandiamide(C2H4N4)Treatments5%12CO2

5%12CO2+50ppmDCD5%13CO2

5%13CO2+50ppmDCDPartII:DNA-SIPincubationNetNitrificationactivityRelativeabundanceofamoAgeneinCsClgradientAOAAOAAOAAOAAOAAOBAOBBuoyantdensity(gml-1)12C13C13C+DCDDay0Day15Day30AOBLightHeavyDGGE

analysis

ofamoAgenesGroupI.1a-associatedGroupI.1b該研究揭示出酸性土壤中氨氧化古菌對硝化作用的主導貢獻IF9.267Soilsampling65soilsamplespHgradients

3.7~8.5HabitattypesForestAgriculturalGrasslandTeaorchardHuetal.,2013,SBB,JSSMechanismDiscussionAvailabilityofsubstrateammoniaNH3;pHinfluencesNH3availabilityandthegrowthofAOB;DifferentaffinityofAOAandAOBtoammonia.Heetal.,2012,SoilBiology&BiochemistryNitrogensourceforammoniaoxidizersNitrogenresourcesAOAandAOBAOAandAOBAvailabilityofammoniaunderacidicconditionspKa=9.25;25C,WaterContent:25%InfluenceofpHonspecificgrowthrateofsoilammoniaoxidisersAllison&Prosser1991SBB23,45-51HighaffinityforammoniasubstratebyAOAAOAAOBMartens-Habbenaetal.,2009,Nature

Brochier-Armanet等在2008年建議將中溫環境來源的古菌(中溫泉古菌,nonthermophilicCrenarchaeota)劃分為一個新門，作為古菌域的第三個主要類群—Thaumarchaeota(奇古菌門),這一劃分系統提出后迅速得到各方面研究證據的支持，近來發表的多數文章也已將“Crenarchaeota”更名為“Thaumarchaeota”.Heetal.2007.Quantitativeanalysesoftheabundanceandcompositionofammonia-oxidizingbacteriaandammonia-oxidizingarchaeaofaChineseuplandredsoilunderlong-termfertilizationpractices.EnvironmentalMicrobiology,9(9):2364-2374.(SCItimescited:360)Shenetal.2008.Abundanceandcompositionofammonia-oxidizingbacteriaandammonia-oxidizingarchaeacommunitiesofanalkalinesandyloam.EnvironmentalMicrobiology,10:1601-1611(Timescited:209)Chenetal.2008.Ammonia-oxidizingarchaea:importantplayersinpaddyrhizospheresoil?EnvironmentalMicrobiology,10:1601-1611(158)Dietal.2009.Nitrificationdrivenbybacteriaandnotarchaeainnitrogen-richgrasslandsoils.NatureGeoscience,2(9):621-624.(Timescited:226)Zhangetal.2010.Autotrophicammoniaoxidationbysoilthaumarchaea.PNAS,107(40):17240-17245.(Timescited:143)Zhangetal.2012.Ammonia-oxidizingarchaeaplaymoreimportantrolethanammonia-oxidizingbacteriainammoniaoxidationofstronglyacidicsoils.ISMEJournal,6:1032–1045.(Timescited:89)Heetal.2012.Newinsightsintomicrobialmechanismsofnitrificationinacidicsoils.SoilBiologyandBiochemistry,55:146-154.(Timescited:46)Huetal.2014.Ammonia-oxid