氮（Nitrogen）是组成氨基酸的基本元素，是生物体生长的必需养分。在微生物的驱动下，氮的分布和转化会限制陆地和水生生态系统的初级生产力。随着氮循环新型功能微生物的发现，我们对氮循环过程和基本代谢机制的理解也在稳步提高。中科院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室祝贵兵研究组在新型氮循环过程-完全氨氧化方向取得重要进展，研究成果相继发表于Global Change Biology和Environmental Science & Technology等期刊。
硝化反应是全球生物氮循环的一个关键过程。自19世纪90年代发现以来，硝化反应一直被认为是通过两步过程进行，由不同的化能自养硝化菌群驱动，即氨氧化细菌/古菌（ammonia oxidation bacteria (AOB) and archaea (AOA)）和亚硝酸盐氧化细菌（nitrite oxidation bacteria, NOB）。直到2015年，可独立执行硝化作用的完全氨氧化细菌（COMplete AMMonia Oxidization, comammox）被发现，打破了这一传统认知，引起广泛关注。近日，本研究组综述文章“Towards a more labor-saving way in microbial ammonium oxidation: A review on complete ammonia oxidization (comammox)”总结了全球不同生态系统中comammox菌的丰度分布和群落模式以及系统发育特征，并提出comammox研究需要回答的重点科学问题：①comammox对硝化作用有多大贡献？②comammox是否产生温室气体氧化亚氮（N2O）？③对全球变化的贡献有多大？(Sci. Total Environ, 2022) 1
为了解决以上问题，本研究组首先研究了comammox菌的生物地理学特征，厘清影响comammox菌分布的关键影响因素 (Sci. Total Environ, 2020) 2；开发了comammox菌的活性测定方法，研究湿地岸边带系统comammox的菌种分布、活性特征及生态贡献。结果表明，comammox广泛存在于岸边带土壤和水相沉积物，且主导陆向土壤区的氨氧化过程，其中，Candidatus Nitrospira nitrificans相对丰度较高，显著影响comammox速率，是岸边带系统的关键comammox菌3 (Environ. Sci. Technol., 2021)。相对而言，虽然在陆地农田土壤系统中comammox速率较低，但仍具有一定的氨氧化贡献4 (Sci. Total Environ, 2020)。以上结果表明，在多种自然生态系统中，comammox是一个重要的、被低估了的硝化过程，不同生境下comammox对硝化过程的影响具有显著异质性。
以上研究在方法学上开发了comammox的硝化反应活性测定方法，但是comammox是否产生N2O，以及对全球变化的贡献等，还有待深入研究。为此，本团队进一步开发了多氨单加氧酶选择性抑制法，测定comammox对硝化反应和温室气体N2O产生的贡献。结果表明，在全球农业土壤中comammox主导了氨氧化反应，而其N2O产率则显著低于传统细菌氨氧化过程。其中，comammox对氨氧化的贡献具有显著时空异质性，在夏季耕作期大于冬季休耕期、在表层耕作层（0-0.2m）大于底层底土层（1.8-2.0m）。同时，发现comammox的氨氧化反应活性与土壤pH值呈显著正相关；在pH值大于6.5的土壤中，comammox会通过氨氧化反应造成了大量氨肥的流失5 (Glob Chang Biol, 2023)。以上结果证明comammox是农田生态系统中氨流失的重要途径，并伴有少量N2O气体产生，是一类不可忽视的硝化反应过程。
本团队的研究结果扩展了对comammox生物地球化学特性的理解，推动构建水体和土壤中氮污染治理的解决方案，为全球温室气体排放的精确衡算、农业可持续发展及全球气候变化提供了技术支撑。
相关研究成果发表于Global Change Biology（姜丽萍博士生为第一作者），Environmental Science & Technology（王衫允副研究员为第一作者）、Science of The Total Environment（王晓敏博士和施瑶博士后分别为第一作者）等期刊。祝贵兵研究员为上述论文的通讯作者。
论文链接1：http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154590
论文链接2：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.137257
论文链接3：https://doi.org/10.1021/acs.est.0c00915
论文链接4：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138563
论文链接5：https://doi.org/10.1111/gcb.16586
环境水质学国家重点实验室
2023年1月12日