生態(tài)中心在水生態(tài)系統(tǒng)厭氧氨氧化氮循環(huán)研究中取得進展

　　目前人類活動對氮循環(huán)的干擾，已遠大于其他元素，極大地加速了地球生態(tài)環(huán)境的變化，引發(fā)嚴重的氮循環(huán)失衡、氮污染加劇、溫室氣體排放增多等不良效應(yīng)。據(jù)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(huán)過程，值得探究。厭氧氨氧化反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生，并完成封閉的產(chǎn)氮氣循環(huán)。

　　中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心祝貴兵研究組在前期發(fā)現(xiàn)白洋淀葦?shù)?/SPAN>-溝壕系統(tǒng)的水陸交錯帶存在厭氧氨氧化反應(yīng)熱區(qū)之后，提出猜想：兩相物質(zhì)的交界面，特別是缺氧-好氧界面，很可能發(fā)生著廣泛的厭氧氨氧化反應(yīng)。

　　首先，祝貴兵研究組與研究員朱永官合作，在微米、厘米的尺度上證明缺氧-好氧界面發(fā)生著廣泛的厭氧氨氧化反應(yīng)。采集典型水稻根際和非根際土壤，應(yīng)用CARD-FISH、qPCR和同位素示蹤的方法，證明水稻根際土壤發(fā)生顯著的厭氧氨氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的氮氣量占總生成量的30-40%，而非根際土壤產(chǎn)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(fā)生顯著的厭氧氨氧化反應(yīng)。論文發(fā)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(yīng)對我國水生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的貢獻。

　　通過對10種來自40個不同地區(qū)的256個樣品進行大規(guī)模取樣研究發(fā)現(xiàn)證實，厭氧氨氧化反應(yīng)在陸地水生態(tài)系統(tǒng)是無處不在的，甚至在一些極端環(huán)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(yǎng)化和寡營養(yǎng)鹽的不同水體，都發(fā)生著厭氧氨氧化反應(yīng)。厭氧氨氧化反應(yīng)主要發(fā)生在表層沉積物50cm以上區(qū)域，并對氮循環(huán)起重要作用。相比于河流系統(tǒng)，湖泊發(fā)生著更加顯著的厭氧氨氧化反應(yīng)，反應(yīng)速率是河流中厭氧氨氧化反應(yīng)速率的數(shù)量級倍數(shù)，其中湖泊岸邊帶是整個水生態(tài)系統(tǒng)厭氧氨氧化反應(yīng)的熱區(qū)。厭氧氨氧化反應(yīng)在稻田系統(tǒng)的廣泛發(fā)生，補充了土壤生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)理論體系，為我國稻田系統(tǒng)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(yīng)的廣泛發(fā)生，將科學家對厭氧氨氧化反應(yīng)發(fā)生條件的認識，從傳統(tǒng)的高氮低碳環(huán)境，拓展到高碳低氮環(huán)境，并結(jié)合各種濕地和水生態(tài)系統(tǒng)的面積，推算由厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生的氮流失量（2.0TgNyr^-1）占總量的11.4%，論文發(fā)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(guān)研究，論文發(fā)表于Scientific Reports和Environmental Microbiology Reports。

　　以上結(jié)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(huán)通量產(chǎn)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。

　　相關(guān)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.

　　厭氧氨氧化反應(yīng)在我國內(nèi)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）