氨氧化微生物生态学与氮循环研究进展

氮的生物地球化学循环主要由微生物驱动,除固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用外,近年还发现厌氧氨氧化是微生物参与氮循环的一个重要过程.同时,随着宏基因组学等分子生物技术的快速发展和应用,参与氮循环的新的微生物类群--氨氧化古菌也逐渐被发现.这两个重要的发现大大改变了过去人们对氮循环的认识,就近年有关厌氧氨氧化细菌、氨氧化古菌和氨氧化细菌的生态学研究进展作一简要综述.     

酸性土壤氨氧化微生物及其影响因素研究进展

自然条件变化和人类活动不仅加剧了土壤酸化,扩大了酸性土壤面积,而且严重影响了土壤氮循环。氨氧化过程作为硝化作用的限速步骤,是全球氮循环的核心环节,受到国内外研究者的广泛关注。探究酸性土壤氨氧化作用及其功能微生物对完善氮循环机制和促进土壤养分循环具有重要意义。本文主要综述了土壤中氨氧化代谢途径,对比了氨氧化细菌(ammoniaoxidizing bacteria, AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)和全程硝化菌(complete ammoniaoxidizers,Comammox)对酸性土壤氨氧化作用的相对贡献,分析了微生物内源功能差异及pH、底物浓度等外部环境因素对氨氧化微生物丰度、活性和群落结构的影响,最后对氨氧化微生物研究进行了展望,以期为酸性土壤氨氧化作用研究和微生物修复技术应用与实践提供科学参考。     

氨氧化古菌及其对氮循环贡献的研究进展

硝化作用先将氨氮氧化为亚硝酸盐氮并进一步氧化为硝酸盐氮,这一过程是氮进行全球生物化学循环的重要环节。随着氨氧化古菌(Ammonia-oxidizing archaea,AOA)基因组序列中氨单加氧酶编码基因(amoA)的发现以及AOA在实验室条件下的成功培养(包括分离纯化和富集培养),基于分子生物学的研究表明AOA在各种环境广泛存在,且多数生境中它的数量远远超过氨氧化细菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB)。AOA相对于AOB在氮循环中的贡献也引起了多方面的论证和争论。本文就氨氧化古菌的生态分布、系统进化、生境存在丰度及参与硝化作用等进行综述,指出不同生境AOA的活性及其对氮循环的重要性仍需做进一步的研究。     

氨氧化古菌的生态学研究进展

上百年来细菌一直被认为是地球氨氧化过程的主要驱动者,2005年海洋中分离到迄今唯一的非极端环境泉古菌,发现其氧化氨态氮获得能源生长,是氨氧化古菌。氨氧化古菌和细菌对地球氨氧化过程的相对贡献率,是目前全球氮循环研究最重要的微生物生态学问题之一。已有的证据表明古菌在海洋氨氧化过程中发挥了重要作用,细菌则是土壤氨氧化过程的主要驱动者。本文重点探讨了原位自然环境下氨氧化古菌的生态学研究进展。     

白洋淀湖滨湿地岸边带氨氧化古菌与氨氧化细菌的分布特性

摘要：本研究通过分子生物学分析方法,以amoA基因为标记,考察了氨氧化古菌（Ammonia-Oxidizing Archaea, AOA）和氨氧化细菌（Ammonia-Oxidizing Bacteria,AOB）在华北平原的白洋淀这一典型湖泊的湖滨湿地岸边带系统中的生物多样性和丰度分布。在前人的研究中,氨氧化古菌在海洋、原生态土壤和人为干扰土壤等环境中主导氨氧化过程的完成。但本研究发现,在湿地岸边带系统中氨氧化过程并不是完全由氨氧化古菌主导完成,即氨氧化古菌和氨氧化细菌在不同区域分别占据主导地位。根据主导微生物的不同,可以将湿地岸边带区域划分为陆相区、中间区和湖相区。在湿地岸边带陆相区,氨氧化古菌主导氨氧化过程,氨氧化古菌的amoA基因丰度是氨氧化细菌的526倍（AOA：1.23?108每克干土;AOB：2.34?105每克干土）;在岸边带湖相区,氨氧化细菌主导氨氧化过程,氨氧化古菌的amoA基因丰度只有氨氧化细菌的1/50倍（AOA：3.17?106每克干土;AOB：1.39?108每克干土）;在岸边带中间区,两种微生物对氨氧化过程的贡献相当,二者的amoA基因丰度也相当 (AOA：9.83?106, AOB：4.08?106)。研究还发现,湿地中间区的微生物生物多样性高于陆相区和湖相区。在湿地中间区,氨氧化古菌和氨氧化细菌的生物多样性都最高,分别有5和7个操作分类单元（OTUs）;相比之下,岸边带陆相区和湖相区的多样性依次降低,陆相区的氨氧化古菌和氨氧化细菌分别有3和6个操作分类单元,湖相区的氨氧化古菌和氨氧化细菌分别有2和6个分类单元。本研究的两个结论进一步反映了湿地岸边带极强的空间异质性。     

重庆紫色水稻土中“全程”和“半程”氨氧化微生物的垂直分异

【目的】系统评估全程氨氧化细菌(complete ammonia oxidizing bacteria, Comammox bacteria)、半程氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)在典型水稻土剖面的垂直分异规律。2015年发现的"全程"氨氧化细菌(Comammox Nitrospira)可将氨分子一步氧化为硝酸盐,实现硝化作用。而经典的"半程"氨氧化细菌(AOB)或古菌(AOA)将氨分子氧化为亚硝酸盐后,再由系统发育完全不同的硝化细菌将其氧化为硝酸盐。全程氨氧化细菌实现了一步硝化全过程,根本改变了学术界对2类微生物分步硝化的经典认知,但相关研究仍处于初步阶段。【方法】选择重庆北碚地区2017年典型水稻土并采集5、10、20和40 cm不同深度土壤(剖面采样点的上下误差不超过1cm),提取水稻土总DNA后,利用标靶功能基因amoA,通过实时荧光定量PCR技术分析全程氨氧化细菌(Comammox)、半程氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)在水稻土不同深度的数量变异规律。【结果】半程氨氧化细菌AOB和古菌AOA均随土壤深度增加呈显著下降趋势。然而,全程氨氧化细菌的两大类微生物则表现出相反的规律,Comammox Clade A的丰度随着土壤剖面的加深而显著增加(P0.05),但Clade B并未有类似规律。Clade A在水稻土不同层次的土层中均比Clade B高出1个数量级,在5 cm和40 cm处的最低和最高值分别为3.42×10~7、8.46×10~7 copies/g。AOA与AOB的丰度大致相当,5cm剖面处数量最高分别为1.23×10~7、1.83×10~5copies/g,但其平均丰度远低于全程氨氧化细菌,Comammox与AOA、AOB amoA功能基因拷贝数之比为10–2000。【结论】全程氨氧化细菌(Comammox bacteria)广泛分布于水稻土不同土层中,且数量远高于"半程"氨氧化细菌和古菌,意味着Comammox可能在水稻土硝化作用中起重要作用。     

三峡库区消落带周期性淹水-落干对硝化微生物生态过程的影响

【目的】明确三峡库区消落带周期性淹水-落干对土壤硝化过程及功能微生物的影响。【方法】在重庆段万州、丰都和长寿3个典型消落带区域,分别采集淹水-落干8次、淹水-落干5次、淹水-落干0次土壤样品,通过室内培养分析土壤硝化作用强度;利用实时荧光定量PCR研究不同淹水-落干周期土壤氨氧化古菌和细菌的数量变化规律;采用DGGE分子指纹图谱和克隆文库技术研究土壤氨氧化古菌和细菌的群落组成差异。【结果】万州、丰都和长寿3个消落带中,土壤有机质和pH含量随淹水-落干次数的增加而增加;除长寿消落带外,土壤硝化强度也随着淹水-落干次数的增加而增强;随着硝化作用的发生,氨氧化古菌和细菌数量呈上升趋势,DGGE条带数量、位置和亮度均发生明显变化;氨氧化功能基因amoA的系统发育分析表明:万州和丰都消落带氨氧化古菌均属于土壤类古菌Group 1.1b;而长寿消落带则检测到少量的海洋类古菌Group 1.1a;3个消落带的优势氨氧化细菌均属于Nitrosospira和Cluster 0类群。【结论】三峡库区独特的"冬蓄夏泄"管理方式,导致淹水-落干8次的土壤经历了周期性的淹水-落干水分胁迫,提升了土壤有机质含量和pH,增加了土壤硝化作用强度,并可能改变了土壤硝化微生物群落结构。     

硝化作用研究的新发现:单步硝化作用与全程氨氧化微生物

硝化作用是氨被微生物氧化为硝酸盐的过程,分别由氨氧化微生物(AOB和AOA)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)主导完成.一个世纪以来,我们把这个分步硝化过程当成唯一的硝化途径来学习和研究.虽然根据动力学理论推测,环境中应该存在单步硝化作用,即由一种微生物单独完成整个硝化过程,将NH₃氧化为NO₃^-,但一直没有研究能直接证明该种微生物的存在.直到2015年底,3个科研团队分别在不同环境中发现了3种不同的经过纯培养的细菌(Candidatus Nitrospira nitrosa、Candidatus Nitrospira nitrificans和Candidatus Nitrospira inopinata)和一种未经过纯培养的细菌(类Nitrospira),它们都具备单独将氨氧化为硝酸盐的能力,这些微生物被定义为全程氨氧化微生物(Comammox).单步硝化作用和全程氨氧化微生物的发现终结了传承百年的理论,并引发了众多关于全球氮素循环的重要科学问题,如这些微生物在环境中的生态位点及其在硝化作用中的相对贡献等.本文就单步硝化作用及全程氨氧化微生物的发现作了简要概述.     

云南地区热泉中氨氧化菌丰度对环境条件的响应

【目的】研究热泉中的氨氧化菌对于理解全球氮循环作用至关重要,而人们对于热泉中环境条件对氨氧化菌丰度分布的影响还知之甚少。本研究旨在研究云南热泉中氨氧化菌的丰度以及热泉环境因子(例如:温度、氨浓度及pH等)对氨氧化菌丰度的影响。【方法】在所选取的热泉中,采集沉积物、菌席或泉华样品。使用RNA逆转录、定量聚合酶链式反应及荧光原位杂交等技术对样品中各微生物种群进行定量分析。【结果】所选取的热泉沉积物、菌席或泉华中微生物总量大约为108-109细胞/g。其中,氨氧化古菌(AOA)占样品中微生物总量的0.02-1.32%,而氨氧化细菌数量低于检测下限。地球化学参数和AOA相对丰度的相关性统计分析显示,氨氧化古菌相对丰度值与NH3、NO2-、NO3-浓度和温度等具有统计学意义上的相关性,而其与Fe2+和及盐度无统计学意义上的相关性。【结论】在所调查的热泉中,氨氧化微生物种群主要由AOA组成,AOA在热泉中的氨氧化生物地球化学过程中起着重要作用。热泉中多个环境因子一起控制着AOA丰度在不同热泉中的分布特征,而某些环境因子,如盐度-和Fe2+浓度,可能不是控制AOA分布特征的关键因素。     

人工湿地氮去除关键功能微生物生态学研究进展

人工湿地是一种能有效处理水体氮素污染的生态技术,其中微生物是驱动人工湿地系统中氮素去除的重要引擎。近20年来,随着分子生物学技术的广泛应用,有关人工湿地氮去除功能微生物生态学方面研究取得了一些重要进展。以硝化-反硝化作用和厌氧氨氧化作用这两种重要的人工湿地微生物脱氮途径为主,针对氨氧化细菌/古菌、厌氧氨氧化菌和反硝化菌等关键脱氮功能微生物的研究,重点归纳总结了目前有关这几类关键功能菌群在人工湿地中的丰度、活性、多样性、分布特征与影响因素,及其对废水中氮去除的作用,并在此基础上对今后的重点研究工作提出了展望。面向未来人工湿地氮去除关键功能微生物的研究应侧重其在污水净化和温室气体减排等方面的生态功能研究,同时加强其代谢过程与机制以及不同功能菌群间的关联研究。     

Growth of ammonia-oxidizing archaea in soil microcosms is inhibited by acetylene

Autotrophic ammonia-oxidizing bacteria were considered to be responsible for the majority of ammonia oxidation in soil until the recent discovery of the autotrophic ammonia-oxidizing archaea. To assess the relative contributions of bacterial and archaeal ammonia oxidizers to soil ammonia oxidation, their growth was analysed during active nitrification in soil microcosms incubated for 30 days at 30 °C, and the effect of an inhibitor of ammonia oxidation (acetylene) on their growth and soil nitrification kinetics was determined. Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) analysis of bacterial ammonia oxidizer 16S rRNA genes did not detect any change in their community composition during incubation, and quantitative PCR (qPCR) analysis of bacterial amoA genes indicated a small decrease in abundance in control and acetylene-containing microcosms. DGGE fingerprints of archaeal amoA and 16S rRNA genes demonstrated changes in the relative abundance of specific crenarchaeal phylotypes during active nitrification. Growth was also indicated by increases in crenarchaeal amoA gene copy number, determined by qPCR. In microcosms containing acetylene, nitrification and growth of the crenarchaeal phylotypes were suppressed, suggesting that these crenarchaea are ammonia oxidizers. Growth of only archaeal but not bacterial ammonia oxidizers occurred in microcosms with active nitrification, indicating that ammonia oxidation was mostly due to archaea in the conditions of the present study.     

河口生态系统氨氧化菌生态学研究进展

由amoA基因编码的氨单加氧酶(AMO)所调控的氨氧化作用,是硝化作用的限速步骤和中心环节,而含有amoA基因的氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)多样性与环境因子关系密切,对缓解河口生态系统因人类活动造成的富营养化等环境问题具有特别重要的意义。水、陆和海交汇形成高度变异的具环境因子梯度的河口生态系统,是研究AOA和AOB生态学的天然实验室。河口AOA与AOB的群落组成、丰富度特征和生物有效性,与河口主要环境因子盐度、富营养化程度、植被、温度、碳、氮、硫、铁等,尤其是对盐度和富营养化有着较为强烈的响应。AOA和AOB多样性变化规律及其与河口特有的环境因子之间的相关性,应当是今后我国河口氨氧化菌研究的方向和重点。包括:(1)建立有效的氨氧化菌活性评价方法;(2)研究AOA的同化作用方式;(3)依据氨氧化菌分类和组成对河口环境变化的适应进化机制,建议可作为指示河口环境质量变化的生物标记;(4)将传统的分离培养方法与现代分子生物学研究方法相结合,筛选我国河口高效的氨氧化菌,并将其应用于生产。     

Phylogenetic and functional marker genes to study ammonia-oxidizing microorganisms (AOM) in the environment

The oxidation of ammonia plays a significant role in the transformation of fixed nitrogen in the global nitrogen cycle. Autotrophic ammonia oxidation is known in three groups of microorganisms. Aerobic ammonia-oxidizing bacteria and archaea convert ammonia into nitrite during nitrification. Anaerobic ammonia-oxidizing bacteria (anammox) oxidize ammonia using nitrite as electron acceptor and producing atmospheric dinitrogen. The isolation and cultivation of all three groups in the laboratory are quite problematic due to their slow growth rates, poor growth yields, unpredictable lag phases, and sensitivity to certain organic compounds. Culture-independent approaches have contributed importantly to our understanding of the diversity and distribution of these microorganisms in the environment. In this review, we present an overview of approaches that have been used for the molecular study of ammonia oxidizers and discuss their application in different environments.     

Interactions between Thaumarchaea,Nitrospira and methanotrophs modulate autotrophic nitrification in volcanic grassland soil

Ammonium/ammonia is the sole energy substrate of ammonia oxidizers, and is also an essential nitrogen source for other microorganisms. Ammonia oxidizers therefore must compete with other soil microorganisms such as methane-oxidizing bacteria (MOB) in terrestrial ecosystems when ammonium concentrations are limiting. Here we report on the interactions between nitrifying communities dominated by ammonia-oxidizing archaea (AOA) and Nitrospira-like nitrite-oxidizing bacteria (NOB), and communities of MOB in controlled microcosm experiments with two levels of ammonium and methane availability. We observed strong stimulatory effects of elevated ammonium concentration on the processes of nitrification and methane oxidation as well as on the abundances of autotrophically growing nitrifiers. However, the key players in nitrification and methane oxidation, identified by stable-isotope labeling using ¹³CO₂ and ¹³CH₄, were the same under both ammonium levels, namely type 1.1a AOA, sublineage I and II Nitrospira-like NOB and Methylomicrobium-/Methylosarcina-like MOB, respectively. Ammonia-oxidizing bacteria were nearly absent, and ammonia oxidation could almost exclusively be attributed to AOA. Interestingly, although AOA functional gene abundance increased 10-fold during incubation, there was very limited evidence of autotrophic growth, suggesting a partly mixotrophic lifestyle. Furthermore, autotrophic growth of AOA and NOB was inhibited by active MOB at both ammonium levels. Our results suggest the existence of a previously overlooked competition for nitrogen between nitrifiers and methane oxidizers in soil, thus linking two of the most important biogeochemical cycles in nature.     

Ammonia-oxidizing archaea have more important role than ammonia-oxidizing bacteria in ammonia oxidation of strongly acidic soils

Increasing evidence demonstrated the involvement of ammonia-oxidizing archaea (AOA) in the global nitrogen cycle, but the relative contributions of AOA and ammonia-oxidizing bacteria (AOB) to ammonia oxidation are still in debate. Previous studies suggest that AOA would be more adapted to ammonia-limited oligotrophic conditions, which seems to be favored by protonation of ammonia, turning into ammonium in low-pH environments. Here, we investigated the autotrophic nitrification activity of AOA and AOB in five strongly acidic soils (pH<4.50) during microcosm incubation for 30 days. Significantly positive correlations between nitrate concentration and amoA gene abundance of AOA, but not of AOB, were observed during the active nitrification. ¹³CO₂-DNA-stable isotope probing results showed significant assimilation of ¹³C-labeled carbon source into the amoA gene of AOA, but not of AOB, in one of the selected soil samples. High levels of thaumarchaeal amoA gene abundance were observed during the active nitrification, coupled with increasing intensity of two denaturing gradient gel electrophoresis bands for specific thaumarchaeal community. Addition of the nitrification inhibitor dicyandiamide (DCD) completely inhibited the nitrification activity and CO₂ fixation by AOA, accompanied by decreasing thaumarchaeal amoA gene abundance. Bacterial amoA gene abundance decreased in all microcosms irrespective of DCD addition, and mostly showed no correlation with nitrate concentrations. Phylogenetic analysis of thaumarchaeal amoA gene and 16S rRNA gene revealed active ¹³CO₂-labeled AOA belonged to groups 1.1a-associated and 1.1b. Taken together, these results provided strong evidence that AOA have a more important role than AOB in autotrophic ammonia oxidation in strongly acidic soils.     

施肥方式对干旱半干旱地区土壤氨氧化微生物数量和群落的影响

氨氧化是硝化作用的限速步骤,也是评估土壤氮循环和提高氮肥利用效率的重要指标。以内蒙古农牧业科学院旱作实验站长期定位实验为基础,通过实时荧光定量PCR和末端限制性片段长度多态性分析,研究了5种施肥方式（单施氮肥、单施有机肥、氮磷钾配施、有机无机配施和不施肥）对土壤氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）群落丰度、结构和活性的影响。结果表明：单施氮肥、氮磷钾肥配施以及有机无机肥配施均能显著提高AOB的丰度以及土壤硝化潜势。Nitrosospiria cluster 3a.1是不施肥土壤中主要的AOB种群,而施用氮肥后优势种群转变为Nitrosospiria cluster 3a.2。Nitrosospiria cluster 3b的比例在施用有机肥处理土壤中显著升高。在干旱半干旱地区,土壤pH和含水量是解释AOB群落结构变化的关键环境因子。AOA的丰度在单独施用氮肥处理中显著升高,但不同施肥方式对AOA的群落结构没有显著影响。     

深海氨氧化古菌的环境适应基础及生态功能

氨氧化古菌是地球上丰度最高的微生物类群之一,驱动氮循环。尤其在深海,其相对丰度可达原核生物的20%-40%。然而,纯培养的缺乏严重阻碍了我们全面认知深海氨氧化古菌的生理特性和生态贡献。本文系统性地分析了深海环境特征与微生物适应性之间的关系,聚焦深海氨氧化古菌的潜在生存策略和代谢偏好。这些信息将有助于我们设计适用于深海氨氧化古菌的培养技术。此外,从系统发育和生理特性来看,深海氨氧化古菌与土壤或表层海洋来源的氨氧化古菌有显著区别,提示我们需要根据其特性重新估算全球海洋氮通量。     

从典型硝化细菌到全程氨氧化微生物：发现及研究进展

生物硝化过程在全球氮循环中起关键性作用,被认为由氨氮氧化成亚硝酸盐和亚硝酸盐氧化成硝酸盐两个步骤组成,分别由氨氧化微生物(Ammonia oxidizing microorganisms,AOM)和硝化细菌(Nitrite oxidizing bacteria,NOB)催化完成。AOM包括氨氧化细菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(Ammonia oxidizing archaea,AOA),AOB与AOA分布广泛,两者的相对丰度和氨氮浓度密切相关。2015年底,3个硝化螺菌属(Nitrospira)谱系Ⅱ的NOB被证实含有AOM的特征功能酶,包括氨单加氧酶(AMO)和羟胺脱氢酶(HAO),并证明NOB同时具有氨氧化和亚硝酸盐氧化的能力,命名为全程氨氧化微生物(Complete ammonia oxidizer,Comammox)。根据AMO的α亚基基因amoA的相似性将Comammox分为两大分支clade A和clade B。它们广泛分布于自然环境和人工系统,包括土壤(稻田、森林)、淡水(湿地、河流、湖泊沉积物、蓄水层)、污水处理厂和自来水厂等。本文综述了Comammox的发现及其最新的研究进展,并展望了Comammox作为氮循环关键功能菌群的研究方向和应用前景。