|
|
目前人類活動對氮循環的干擾，已遠大于其他元素，極大地加速了地球生態環境的變化，引發嚴重的氮循環失衡、氮污染加劇、溫室氣體排放增多等不良效應。據估算，全球只有約40-60%的氮是通過反硝化生成氮氣回到大氣中。在全球變暖、污染加劇的雙重脅迫下，是否存在新型的氮循環過程，值得我們探究。厭氧氨氧化反應的發現就是一個明例。厭氧氨氧化是在厭氧條件下由厭氧氨氧化菌以亞硝酸鹽作為電子受體將氨氮直接氧化為氮氣，避免了強效溫室氣體氧化亞氮的產生，并完成封閉的產氮氣循環。 中科院生態環境中心祝貴兵研究組在前期發現白洋淀葦地-溝壕系統的水陸交錯帶存在厭氧氨氧化反應熱區之后，提出猜想：兩相物質的交界面，特別是缺氧-好氧界面，很可能發生著廣泛的厭氧氨氧化反應。 首先，祝貴兵研究組與朱永官研究員合作，在微米、厘米的尺度上證明缺氧-好氧界面發生著廣泛的厭氧氨氧化反應。采集典型水稻根際和非根際土壤，應用CARD-FISH、qPCR和同位素示蹤的方法，證明水稻根際土壤發生顯著的厭氧氨氧化反應，產生的氮氣量占總生成量的30-40%，而非根際土壤產生的氮氣量僅占總氮氣生成量的2-3%，證明了在微米、厘米尺度的水稻根際土壤中，發生顯著的厭氧氨氧化反應。論文發表于The ISME Journal。 在上述小尺度驗證之后，祝貴兵研究組擴大研究地點，在全國范圍進行大尺度驗證，同時也估算厭氧氨氧化反應對我國水生態系統氮循環的貢獻。 通過對10種來自40個不同地區256個樣品進行大規模取樣研究發現證實，厭氧氨氧化反應在陸地水生態系統是無處不在的，甚至在一些極端環境下，例如高溫（大于75℃）、低溫（低于-25℃）、高pH值（大于9）、低pH值（小于4）、富營養化和寡營養鹽的不同水體，都發生著厭氧氨氧化反應。厭氧氨氧化反應主要發生在表層沉積物50cm以上區域，并對氮循環起重要作用。相比于河流系統，湖泊發生著更加顯著的厭氧氨氧化反應，反應速率是河流中厭氧氨氧化反應速率的數量級倍數，其中湖泊岸邊帶是整個水生態系統厭氧氨氧化反應的熱區。厭氧氨氧化反應在稻田系統的廣泛發生，補充了土壤生態系統氮循環理論體系，為我國稻田系統氧化亞氮（N2O）釋放量的精確計算提供科學借鑒。在沼澤濕地中厭氧氨氧化反應的廣泛發生，將我們對厭氧氨氧化反應發生條件的認識，從傳統的高氮低碳環境，拓展到高碳低氮環境，并結合各種濕地和水生態系統的面積，推算由厭氧氨氧化反應產生的氮流失量（2.0TgNyr-1）占總量的11.4%，論文發表于Scientific Reports和Environmental Microbiology Reports。 同時，祝貴兵研究組對與厭氧氨氧化菌共生的功能微生物如氨氧化古菌（ammonia oxidizing archaea, AOA）和反硝化厭氧甲烷氧化菌（nitrite-dependent anaerobic methane oxidization, N-DAMO）也進行了相關研究，論文發表于Scientific Reports和Environmental Microbiology Reports。 以上結果對我國氧化亞氮的通量計算、全球氣候變化模型和氮循環通量產生重要影響。以往對氧化亞氮通量的計算，都是基于模型和化肥施加量以及部分樣點的實測值，均沒有考慮厭氧氨氧化的功效。因此，國家尺度上的氧化亞氮釋放通量很可能要小于目前的估算值。
厭氧氨氧化反應在我國內陸水體的分布及其在不同水體和濕地中的貢獻，包括河流（a）、湖泊（b）、稻田（c）和沼澤（d） 相關論文： 1. San’an Nie, Hu Li, Xiaoru Yang, ZhaoJi Zhang, Fuyi Huang, Guibing Zhu*, Yong-Guan Zhu* Nitrogen loss by anaerobic oxidation ammonium in rice rhizosphere. The ISME Journal. 2015. 9, 2059–2067 2. Guibing Zhu*, Shanyun Wang, Leiliu Zhou, Yu Wang, Siyan Zhao, Chao Xia, Weidong Wang, Rong Zhou, Chaoxu Wang, Mike S. M. Jetten, Mariet M. Hefting, Chengqing Yin, Jiuhui Qu. Ubiquitous anaerobic ammonium oxidation in inland waters of China: an overlooked nitrous oxide mitigation process. Scientific Reports. 11/2015; 5:17306. DOI:10.1038/srep17306 3. Leiliu Zhou, Shanyun Wang, Yuxuan Zou, Chao Xia, Guibing Zhu*. Species, Abundance and Function of Ammonia-oxidizing Archaea in Inland Waters across China. Scientific Reports.?11/2015; 5:15969. DOI:10.1038/srep15969 · 4. Guibing Zhu*, Leiliu Zhou, Yu Wang, Shanyun Wang, Jianhua Guo, Xi-En Long, Xingbin Sun, Bo Jiang, Qiaoyun Hou, Mike S M Jetten, Chengqing Yin. Biogeographical distribution of denitrifying anaerobic methane oxidizing bacteria in Chinese wetland ecosystems. Environmental Microbiology Reports. 2014. DOI: 10.1111/1758-2229.12214. 5. Guibing Zhu* ·?Chao Xia?·?Shanyun Wang?·?Leiliu Zhou?·?Lu Liu?·Siyan Zhao?·Occurrence, activity and contribution of anammox in some freshwater extreme environments. Environmental Microbiology Reports. 2015. 7(6), 961–969 環境水質學國家重點實驗室 2015年12月1日 |
