贺纪正-华中农大201511-2

贺纪正中国科学院生态环境研究中心(jzhe@)墨尔本大学兽医与农业科学学院(jizheng.he@.au)土壤氮素转化的关键微生物过程2015-11-04,华中农大基金委创新研究群体：持久性有毒污染物形态、环境过程与毒理效应(江桂斌)基金委创新研究群体：环境微界面过程与污染控制研究(曲久辉)基金委创新研究群体：土地利用与生态过程(傅伯杰)

课题组名称：土壤微生物生态学课题组归属：本研究组隶属于城市与区域生态国家重点实验室和土壤环境研究室主要研究方向：土壤微生物的组成、多样性、分布特征C/N/S/Mn等元素微生物转化的过程与机理污染土壤的生态风险评价及修复课题组研究方向Theworld’smostlivablecity*RankedastheWorld'sMostLiveableCitybytheEconomistGroup'sIntelligenceUnit(2011)MolecularSoilEcologyGroupandLaboratory

FacultyofVeterinaryandAgriculturalSciences

TheUniversityofMelbourneSoilmicrobialecologyMicrobialprocessesofNtransformationsandNuseefficiencyEnvironmentalfateofantibioticresistancegenes招收博士生、博士后、访问学者，发展国际合作报告内容土壤微生物多样性及研究方法土壤氮素循环和氨氧化菌研究展望全国科学技术名词审定委员会1998年公布的土壤定义为：土壤是陆地表面由矿物质、有机质、水、空气和生物组成，具有肥力，能生长植物的未固结表层。生物是土壤的固有组成土壤作为资源的特征也包括:它是重要的生物资源库,基因资源库,代谢产物库…。根际土壤作物根际地下（土壤）生态系统与地上生态系统之间紧密联系，相互依存，共同决定着陆地生态的特征、过程和功能。

土壤微生物对全球生态系统功能如养分运转、有机质分解、土壤结构维持、温室气体产生、环境污染物净化的调节发挥着重要的作用。单位体积土壤所含微生物量1cm3

农田土壤数十亿个细菌细胞1万个原生动物5公里长真菌菌丝OM联合国人口基金会统计全球人口在2011年10月31日达到70亿地球微生物总碳量与植物相当，而总氮和总磷量约为植物的十倍。生物量微生物植物微／植总碳350–550560≈1:1总氮85–13010>10:1总磷9–141.05>10:1Datasource:Whitmanetal.,PNAS,1998单位：十亿吨土壤是微生物的大本营，土壤微生物约为海洋微生物总量的十倍。但是,绝大部分土壤生物和功能还未被认知土壤生物黑箱动、植物残体有机污染物NH4＋CO2CH4NO3-,NxO,N2土壤生物研究具有巨大发展潜力粮食安全的国家需求土壤生物多样性和功能细菌真核生物古菌99%为未培养微生物土壤肥力演变与培育提高土壤生产力HowMicrobesCanHelpFeedtheWorld,2013.ReportonanAmericanAcademyofMicrobiologyColloquium,Washington,DC//December2012./index.php/browse-all-reports/800-how-microbes-can-help-feed-the-world全球变化

的国家需求土壤微生物温室气体生产与消耗CO2CH4N2O土壤碳库平衡全球变化土壤污染修复的国家需求土壤生物多样性农药、有机、无机污染物降解与清除土壤修复农产品安全地表与地下水质安全的国家需求土壤生物生源要素转化肥料去向地面与地下水质安全50年来我国肥料总用量的变化RNAProteinMetabolitesDNAFluxesPhysiologyTheOmics!!GenomicsTranscriptomicsProteomicsMetabolomicsPhenomics Glycomics Lipidomics Fluxomics报告内容土壤微生物多样性及研究方法土壤氮素循环和氨氧化菌研究展望全球氮循环包括四个过程：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个反应步骤，也是限速步骤，是全球氮循环的中心环节。NCyclingProcesses氮素循环过程NH4+----NO3-CationexchangeNitrificationinhibitor肥效低下水体污染温室气体排放肥料(能源、经济)损失ProcessadjustmentAmmoniamonooxygenaseHydroxylamineoxidoreductase

一百多年来，人们一直认为土壤生态系统中的硝化作用是氨氧化细菌（AOB）来完成的，直到2004年在海洋中发现大量氨氧化古菌(AOA)，2005年从海水中分离培养出第一株氨氧化古菌，2006年在土壤中发现氨氧化古菌占优势，对氨氧化微生物的认识才发生了革命性的变化。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**湖南祁阳酸性红壤

氨氧化细菌(AOB)与古菌(AOA)PNRwithAOBr=0.91**PNRwithAOAr=0.87**不同施肥处理导致酸性红壤AOB和AOA数量显著变化，AOB和AOA与土壤硝化潜势呈显著正相关关系，预示土壤AOB和AOA都对土壤氨氧化起作用。Heetal.,2007,Environ.Microbiol.祁阳酸性红壤中AOB和AOA的组成也发生显著变化127.8 7.7 8.5276.618.928.561.9 AOA:AOB河南封丘碱性潮土Shenetal.,2008,Environ.Microbiol.CorrelationsofAOB(AOA)abundanceandpotentialnitrificationratesAOB：r=0.773,n=7,P<0.05*AOA：r=0.331,n=7,P>0.05在封丘碱性潮土上，不同施肥处理导致AOB组成和丰度的变化，但AOA组成和丰度没有显著变化，预示着该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的生长，加入硝化抑制剂完全抑制AOB的生长，而对AOA没有显著影响，证明在土壤中起硝化作用的主要是AOB。

AOBAOANitrificationrateNitrateleachingN2OEmissionAOBAOAAOBandAOAabundancevariedindifferentsoils

(Dietal.2009)在氮素含量较高的土壤中，AOB对氨氧化起主导作用，AOA的贡献不明显EstablishingSIPmethodforAOAandAOBinvestigation12Cincubation13CincubationAOAAOBAbundanceofamoAgeneinCsCldensitygradientsafter12C-/13C-CO2incubationAOA/AOBamoA基因在不同CsCl密度梯度上的DGGE图谱Day14Day28Day14Day28AOB1.651.73Buoyantdensity(gml-1)13CO212CO2Day14Day28Day14Day281.651.73Buoyantdensity(gml-1)13CO212CO2AOA1.651.73Buoyantdensity(gml-1)Day14Day28Day14Day2812121212112122213CO212CO21.651.73Buoyantdensity(gml-1)Day14Day28Day14Day2812121212112122213CO212CO2Day14Day28Day14Day28112211221212112122213CO212CO21这些结果表明，AOA能够固定13C-CO2进行自养生长，是该土壤中硝化作用的主要驱动者；首次为古菌参与土壤硝化作用提供了直接证据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该研究揭示出酸性土壤中氨氧化古菌对硝化作用的主导贡献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年建议将中温环境来源的古菌(中温泉古菌,nonthermophilicCrenarchaeota)划分为一个新门，作为古菌域的第三个主要类群—Thaumarchaeota(奇古菌门),这一划分系统提出后迅速得到各方面研究证据的支持，近来发表的多数文章也已将“Crenarchaeota”更名为“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