反硝化作用是湖岸带有效去除氮素的关键氮循环过程,受到植物、土壤理化性质及微生物等因素的影响.为探究湖岸带不同植物对土壤反硝化作用的影响,通过调查测定野芷湖湖岸带 9 种常见植物的根际与非根际土壤的反硝化功能基因丰度和反硝化潜势,分析其与土壤理化性质的关系,阐明植物种类影响反硝化作用的机制.研究结果表明:(1)种植植物会改变湖岸带土壤的理化指标,植物根际土的硝态氮(NN)、铵态氮(AN)、总碳(TC)、总氮(TN)和可溶性有机碳(DOC)含量等显著高于非根际土,其中柳树、黄素馨、喜旱莲子草根际土的TC、DOC、TN、NN显著高于其他物种,桂树的根际和非根际土的pH均显著低于其他物种;(2)植物根际土的微生物反硝化功能基因(narG、napA、nirS、nirK和nosZ)丰度显著高于非根际土,其中柳树、黄素馨、喜旱莲子草根际土的基因丰度显著高于其他物种,pH、TN、NN和DOC等对反硝化功能基因丰度影响较大;(3)根际土的反硝化潜势显著高于非根际土,其中柳树、桂树、黄素馨根际土的反硝化潜势显著高于其他物种,黄素馨非根际土的反硝化潜势也较高,pH、DOC、TN以及napA、nirS、norB基因丰度等对土壤的反硝化潜势具有显著影响.本研究说明植物根际微环境更有利于反硝化微生物的生长与繁殖,湖岸带种植植物时可考虑不同的常绿和落叶乔木、灌木、草本植物的合理配置来提高湖岸带的氮素截留能力,以减少由过量氮素进入水生生态系统导致的面源污染.

为了提高低温废水的生物脱氮效率,从寒冷地区冬季土壤和底泥中分离筛选耐低温异养硝化-好氧反硝化细菌,研究其脱氮特性及途径.通过菌落和细胞形态特征观察、16S rRNA基因序列分析鉴定菌种.分别以NH4+-N、NO3--N、NO2--N为唯一氮源,以NH4+-N和NO3--N为混合氮源,考察菌株在低温条件(10℃)的硝化、反硝化以及同步硝化反硝化性能.采用聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)对菌株的脱氮功能酶基因扩增,推测低温脱氮途径.结果表明,从河水底泥中筛选出一株异养硝化-好氧反硝化菌,经鉴定为Pseudomonas veronii,命名为P.veronii DH-3.该菌分别以相同初始含氮量(105 mg/L)的NH4+-N、NO3--N和NO2--N为唯一氮源,在 10℃好氧培养 48 h时,氮的去除率分别为 99.07%、96.89%和 90.29%,且在脱氮过程中几乎无亚硝酸盐的累积.以NH4+-N和NO3--N为混合氮源时,NH4+-N在 48 h内被完全去除,NO3--N的去除率为 87.09%;氮平衡分析结果表明,以NO3--N和NO2--N为唯一氮源时含氮气体和细胞内生物氮的转化率均低于NH4+-N,表明该菌株的异养硝化能力强于好氧反硝化能力.脱氮功能基因hao、napA、nirS、nirK、cnorB和nosZ的成功表达,进一步证实该菌株具有硝化反硝化能力.根据上述研究结果,推测该菌株低温脱氮的主要途径为异养硝化-好氧反硝化作用和同化作用.菌株P.veronii DH-3 具有良好的异养硝化-好氧反硝化性能,为低温含氮废水的生物净化提供了理论支持.

为探究亚热带森林土壤氨氧化微生物和反硝化微生物对氮、磷输入的响应,2015年开始在钱江源国家森林公园设置氮磷模拟添加试验,包括对照(CK)、氮(N)添加、磷(P)添加和氮磷(NP)添加4种处理,于2021年4月(湿季)和11月(干季)采集土样,采用定量PCR的方法分析亚热带森林土壤氨氧化微生物(氨氧化古菌AOA、氨氧化细菌AOB和全程氨氧化菌comammox)amoA基因和反硝化微生物功能基因(nirS、nirK和nosZ基因)的丰度变化特征.结果表明:长期N输入显著降低土壤pH,但显著提高了土壤铵态氮和硝态氮含量,而长期P输入显著提高了土壤有效磷和总磷含量.氮的输入(N和NP处理)显著提高了干湿季土壤AOB-amoA基因丰度,且在N处理中最高,达8.30× 107 copies·g-1.NP处理土壤AOA-amoA基因丰度显著高于CK,达1.17×109copies·g-1.comammox-amoA基因丰度在不同季节间差异显著,其他基因丰度在不同季节间差异均不显著.双因素方差分析表明,N输入显著影响AOB-amoA、nirK和nosZ基因丰度,且湿季更为显著;而P输入显著影响干湿季土壤AOA-amoA和AOB-amoA基因丰度,但对反硝化功能基因丰度影响不显著.冗余分析表明,土壤pH、铵态氮、硝态氮、有效磷和土壤含水量是影响土壤氮循环功能基因丰度的主要因子.土壤氨氧化微生物和反硝化微生物的基因丰度对氮的输入比对磷的输入响应更灵敏.研究结果可为评估亚热带森林土壤养分生物有效性及其对全球变化的响应机制提供科学依据.

我国亚热带地区大面积天然林已转变为人工林,对森林生态系统结构和功能产生了极大影响.为揭示森林土壤团聚体中N2O产生的关键基因亚硝酸盐还原基因(nirK和nirS)对森林转换后的响应特征,本研究选取中亚热带米槠天然林、杉木人工林和马尾松人工林为对象,分析了 3 种林分土壤和团聚体中nirK和nirS基因丰度.结果表明:天然林转变成人工林后,土壤pH值升高,但铵态氮含量下降.森林转换对土壤团聚体结构组成影响不大,但不同粒径团聚体中nirK和nirS基因丰度存在差异,以小团聚体分布最多,粉-黏颗粒分布最少.各林分土壤中nirK基因丰度均显著高于nirS基因丰度,表明nirK在酸性森林土壤中占主导.天然林转人工林显著增加全土和团聚体中nirK及nirS基因丰度,表明森林转换有利于提高nirK和nirS基因丰度,这可能与pH值的提高有关.综上,天然林转变为杉木或马尾松人工林显著提高了土壤和团聚体中nirK和nirS丰度,但对团聚体质量分数无显著影响.

对不同林龄杉木人工林(5、8、21、27 和40 年生)土壤硝化与反硝化过程及功能微生物丰度进行研究.结果表明:土壤净硝化速率随林龄的增加波动变化,8、27 年生杉木人工林土壤净硝化速率显著低于 5、21 和40 年生.27 年生杉木人工林土壤氨氧化古菌(AOA)amoA基因丰度显著低于40 年生,其他林龄AOA amoA基因丰度之间无显著差异.不同林龄杉木人工林的氨氧化细菌(AOB)amoA基因丰度、反硝化功能基因丰度以及反硝化潜势均无显著差异.逐步回归分析表明,土壤氨氧化微生物AOA amoA基因丰度受土壤理化性质的影响不显著,土壤总碳和土壤pH是影响AOB丰度的重要因子.反硝化功能基因narG、nirK及nosZ随土壤pH的增加而增加,编码亚硝酸盐还原酶(NIR)的功能基因(nirK、nirS)受土壤总碳的影响.林龄可通过影响AOA amoA基因丰度影响土壤净硝化速率.林龄直接作用于反硝化潜势,或间接影响土壤微生物生物量碳、土壤pH及反硝化功能基因丰度(narG和nirK),进而影响反硝化潜势.相较于反硝化过程,土壤硝化作用及AOA amoA基因丰度对杉木林分发育更加敏感,可适当延长轮伐期以降低土壤硝化作用造成的氮流失风险.

若尔盖泥炭湿地是世界少有的低纬度永久冻土湿地,具有高海拔、高紫外辐射、高有机质的特点.该区域N2O的排放量对全球气候变暖有重要影响.对若尔盖高原湿地泥炭沼泽土中的亚硝酸盐还原酶(nirK)反硝化细菌群落结构多样性进行分析,以期揭示该区域N,O释放的微生物调控机制.基于若尔盖高原湿地泥炭沼泽土的理化性质和反硝化活性(PDA),结合限制性酶切片段长度多态性(Restriction fragment length polymorphism,RFLP)技术、克隆文库及分子测序对该生态系统中的nirK反硝化细菌群落结构及多样性进行分析.反硝化活性测定结果显示:阿西地区＞麦溪地区＞分区地区,反硝化活性与土壤有机碳、总氮和丰富度呈显著正相关(P＜0.05).Shannon-wiener多样性指数以阿西最高、分区最低.3个样品中共测序15条nirK基因代表序列,系统发育表明若尔盖高原湿地优势nirK反硝化菌群为变形门菌群.其中,阿西地区主要为α-变形菌门,麦溪地区主要为β-变形菌门,分区地区无法确定优势种群.冗余分析(Redundancy analysis,RDA)显示:有效钾和有效磷是影响nirK反硝化细菌群落结构的关键环境因子.本论文显示,若尔盖高原湿地存在着明显的反硝化作用,调控这些反硝化作用的nirK反硝化细菌多样性较高,且与土壤有效钾和有效磷密切相关.

温室效应在全球范围内日趋严重.其中氧化亚氮(N2o)作为最重要的温室气体之一,增温潜能是二氧化碳(CO2)的298倍,且其浓度仍呈逐年上升趋势.氧化亚氮还原酶(N2OR)能将N2O还原成氮气(N2),而nosZ基因是编码N2OR的唯一基因.除了熟知的nosZI基因外,新发现的分支nosZII基因也能编码N2OR.在国内外研究基础上本文总结nosZII基因的基本概况,分析其与nosZI的主要区别,阐述其相关反应机制,并归纳不同环境因素对nosZII基因表达的影响.研究表明,nosZII主要存在于ε-变形细菌、拟杆菌、产水菌中,含nosZII的微生物中有部分种群缺乏nirS和nirK基因,且该类微生物在还原N2O功能上具有较大潜能.影响含nosZII微生物的丰度和种群结构的环境因子较多,主要包括土壤结构、土壤pH值、土壤C/N、温度、湖泊物理梯度等,其中pH值和C/N可能是主要的影响因素.随着分子生物技术手段的进步,对含nosZII微生物的生态功能的探索已取得了重要进展,但还需进一步深入.今后还需对含nosZII的微生物群落结构特征、微生物丰度和多样性影响因素以及对具有较强还原N2O能力的含nosZII菌株进行更深入的研究,为降低N2O排放、有效减控温室气体提供理论依据.

土壤氮循环是森林生态系统主要的生物地球化学过程之一,具有重要的环境效应.本研究以长白山阔叶红松林为对象,通过人工氮添加和透明V型板截雨模拟氮沉降(NF)、降水减少(RR)以及两者交互作用(RF),分析了土壤硝化作用、反硝化作用,以及硝化功能微生物(氨氧化古菌AOA和氨氧化细菌AOB)、反硝化功能微生物(nirK、nirS和nosZ)和固氮功能微生物(nifH)对NF、RR及RF作用的响应.结果表明:土壤硝化作用与土壤NH4+-N、反硝化作用与土壤NO3--N含量呈显著正相关关系;土壤硝化作用和反硝化作用未因3种处理而发生显著变化,反硝化作用表现出明显的季节性动态变化;长期RR处理抑制了长白山阔叶红松林土壤净硝化作用,NF和RF处理则促进了其净硝化作用;nifH和nosZ菌群具有较强的抗胁迫能力,其多样性不易受氮水变化影响,干旱条件下nirK群落组成更容易受氮沉降影响;AOA对干旱具有较高敏感性,AOB对NF和RF处理具有较高敏感性.3种处理可不同程度影响土壤净硝化作用,并改变AOB、AOA和nirK基因反硝化微生物多样性,进而可能影响森林土壤含氮气体释放并改变森林生态系统服务.

反硝化作用对维持环境氮平衡具有重要意义,其过程中亚硝酸盐向NO的转化是关键步骤,由亚硝酸盐还原酶控制,因此检测亚硝酸盐还原酶编码基因可以从分子生物学角度深入分析微生物种群特性和氮元素的转化规律,进而为评估生态环境健康状况等科研与生产活动提供支撑数据.重点综述了近年来反硝化作用功能基因nirS和nirK及其检测技术的研究进展,并对未来可预期的检测技术进行了展望,以期为该领域的研究人员提供参考.

[背景]堆肥过程中,不同反硝化微生物相互作用产生大量气态氮,不仅导致氮素流失使得堆肥肥效降低,而且造成环境污染.但是目前关于堆肥中反硝化细菌群落结构变化,尤其是群落结构与堆肥理化因子间相关性方面的报道较为欠缺.[目的]对堆肥中反硝化细菌进行研究,旨在揭示反硝化细菌群落动态变化,为深入理解堆肥氮循环机理提供科学数据.[方法]设计一种静态好氧高温堆肥技术处理牛粪和水稻秸秆,利用高通量测序技术研究堆肥中nirK型反硝化细菌群落组成的动态变化,并分析优势反硝化细菌菌属与理化指标之间的相关性.[结果]堆肥全程共17 d,各项堆肥理化指标以及生物学指标表明堆肥已经基本腐熟.高通量测序结果表明,在堆肥的不同阶段nirK型反硝化细菌群落结构差异显著.门水平上,堆肥中反硝化细菌属于变形菌门(Proteobacteria)和一未分类门;目水平上,优势类群主要属于根瘤菌目(Rhizobiales)、红杆菌目Rhodobacter ales)和伯克氏菌目(Burkholderiales),其中根瘤菌目(Rhizobiales)的种类最多,而伯克氏菌目Burkholderiales)的相对丰度最高.Spearman相关性分析表明未分类门的反硝化细菌和未分类科根瘤菌目的反硝化细菌与全碳、碳氮比、含水率以及pH呈显著负相关(P＜0.05),与凯氏氮和硝态氮呈显著正相关(P＜0.05);其他优势菌属与全碳、碳氮比、含水率以及pH呈显著正相关(P＜0.05),与凯氏氮和硝态氮呈显著负相关(P＜0.05);未分类科伯克氏菌目的反硝化细菌、未分类纲变形菌门的反硝化细菌、产碱杆菌科的Pusillimonas属和副球菌属(Paracoccus)与铵态氮显著相关(P＜0.05).[结论]静态好氧高温堆肥技术可以缩短堆肥周期.在堆肥的不同阶段nirK型反硝化细菌群落结构差异显著,并且该菌群落结构的变化受到堆肥理化因子的显著影响.本研究有助于揭示堆肥中氮素转化规律,并为改进堆肥工艺提供理论依据.