微生物介导的氮循环过程研究进展

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(1. 新疆大学资源与环境科学学院， 新疆 乌鲁木齐 830046； 2. 绿洲生态教育部重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830046)

氮素是控制大多数陆地生态系统中植物生长和初级生产的关键限制性营养元素[12-13]，近几十年来，大范围的人类活动和工业生产使得活性N的数量增加了一倍以上[14]，而中国是世界氮沉降最严重的区域。大气氮沉降能够提高贫瘠生态系统中土壤养分和作物产量，在促进地上植被净初级生产和改变群落结构与功能方面发挥了重要作用[15]，但是，长期的氮沉降会引起土壤大面积酸化、水体面源污染和N2O排放增加等一系列环境问题并对经济的可持续发展造成负面影响，同时也威胁到粮食安全和生态安全，因此，氮沉降不止是个环境问题，更是关乎整个人类社会经济可持续发展的科学问题。提高土壤氮素利用效率，并对氮肥进行科学有效的管理和调控，是减少氮肥对环境造成负面影响的重要突破口，而揭示氮素在土壤中的转化和循环过程，阐明其关键过程和机制是对氮素管理和调控的重要基础。

微生物是驱动土壤生源要素生物地球化学循环的引擎。氮循环是土壤生态系统元素循环的核心之一[16]，微生物在氮循环过程中的作用逐渐被人们所熟知(包括固氮作用、硝化作用、反硝化作用和矿化作用)，近十年以来，随着生物地球化学循环研究方法与分子生态学技术(变性梯度凝胶电泳、末端限制性片段长度多态性、克隆测序及实时荧光定量PCR等技术)的广泛结合，使得对氮循环的机制和过程有了重要的认识，如新的硝化微生物类群-氨氧化古菌的发现，以及对其在不同生态系统中作用机制和生理生态适应过程的了解，还有在硝化微生物多样性及其作用机理研究方面都与分子生态学手段密切相关，极大的推进了对氮循环的认识，本文就氮循环的几个关键过程所取得的研究进展进行综述，以期为氮循环关键过程的了解和氮素的管理与调控提供理论依据。

1 固氮作用

生物固氮分为，共生固氮、自生固氮和联合固氮三种体系，其中，共生固氮由于其占到了生物固氮总量的60%以上，因此一直是生物固氮研究的重点，在共生固氮方面，自1890年Frank首次将豆科植物根部结瘤的细菌称之为根瘤菌后，大部分的根瘤菌资源被先后发现和逐步认识，世界上有豆科植物大约20000种，其中大部分都能与根瘤菌共生而发挥巨大的生物固氮作用，据统计，仅2013年1月到2014年7月一年多内，仅在国际著名期刊IJSEM ( International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology)上发表的关于新的根瘤菌固氮微生物就有近20种[17]，截至目前，发现的大部分根瘤菌都归属于α和β变形菌纲的13个属。除此之外，能与植物形成共生固氮关系的固氮细菌还有，弗兰克氏放线菌与蓝细菌，弗兰克氏放线菌能与8个科中21个属的近200种非豆科植物共生，同时发现弗兰克氏放线菌在纯培养条件下在根瘤中具有相当的固氮活性，因此，弗兰克氏放线菌具有自身固氮微生物的特征[18]。另外，蓝细菌与某些植物或部分地衣结合也能发挥共生固氮作用，如念珠藻或鱼腥藻与裸子植物苏铁共生形成苏铁共生体，红萍与鱼腥藻形成的红萍共生体等，随着固氮微生物的相继发现，对宿主与固氮微生物间的固氮机制也开展了大量研究，发现根瘤菌与豆科植物之间的信号传递、相互识别、基因表达调控对根瘤的形成有着复杂的联系，例如，根瘤菌只有与豆科植物根部结成根瘤且生活在根瘤内才能将大气中的N2固定为植物所需的氮素，而豆科植物如何与根瘤菌进行分子识别最终结成具有共生固氮的根瘤，研究人员对其进行了大量研究，发现根瘤菌能够产生结瘤因子、(I、III、IV)型分泌蛋白、IAA和多糖等信号分子，同时豆科植物也会产生类黄酮、甜菜碱、葫芦巴碱以及其他的化学诱导剂[19]，当豆科植物分泌上述化学诱导物质时，会诱导根瘤菌产生结瘤因子，当植物根部识别结瘤因子后，会导致根毛变形、表皮细胞破裂、形成侵染线、根瘤原基开始形成，根瘤菌从侵染线中释放进入根瘤原基细胞中，根瘤原基开始发育成根瘤最终形成共生固氮体[20-21]。随着分子生物学和新技术的迅速发展，逐步认清了调控结瘤因子产生重要生理反应的基因，根毛侵染线的形成也与一些关键基因的调控密切相关，如MtNFP 基因的缺失会形成无效或畸形的侵染线，野生型中华苜蓿根瘤菌如果MtLYK3/HCL 缺失突变体就不会产生正常的侵染线[22]，许多 exopolysaccharides基因和 lipopolysaccharide基因的调控有助于根瘤的形成。21世纪以来，根瘤菌的全基因组测序工作陆续完成，截止到2013年5月，根瘤菌目共包括14科80属，其中已完成测序的有179个菌株，涉及12个科(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/MICROBES/microbial_ taxtree.html)，此外也对宿主植物大豆、苜蓿、鹰嘴豆等进行了全基因组测序[23-25]，这为进一步促进宿主植物与根瘤菌的分子互作机理和基因表达研究提供了科学数据。

图1 氮素转化过程示意图Fig.1 Schematic diagram of nitrogen conversion

2 硝化作用

硝化作用除了受微生物的作用外，也受到环境因子的综合作用，主要包括温度、水分、pH和氮素供给等，例如，Breuer等[29]的研究发现，适当的土壤增温能显著提高硝化作用速率，同时发现14～26℃是硝化作用最适的温度范围；Ingwersen等[30]在温带云杉林森林生态系统的研究发现，土壤硝化速率在5～25℃时随温度升高而显著增加；Mahendrappa等[31]对美国南北部地区的土壤硝化速率与最适温度的关系进行了研究，发现美国北部的土壤硝化速率的最适温度2～25℃，而南部为35℃，可见不同生态系统硝化速率的响应温度不同，但都在适当的温度内增温能显著增加其速率。水分是一切生物生存的必要物质，而硝化作用的过程也无一列外的有水分参加，而水分的含量会影响硝化速率，如Breuer等[29]研究发现，硝化速率会随着水分含量的增加而降低；也有研究发现，不同的土壤含水量具有不同的硝化速率[32]。土壤pH和氮素条件是决定氨氧化细菌和氨氧化古菌存在的重要环境因素，有研究发现，低氮、高温和强酸条件下，氨氧化古菌(AOA)是硝化作用的主要驱动者[33]，而在强碱、高氮条件下，氨氧化细菌(AOB)是硝化作用的主导者，综上可见，环境因素能够主导微生物的生理生态功能，进而对整个硝化作用产生影响。

3 反硝化作用

4 厌氧氨氧化及硝酸盐异化还原成铵作用

5 氮循环在草地生态系统的研究概况

中国草地占国土面积的40%以上，作为陆地生态系统的重要组成部分，其在生物多样性维持、碳循环、氮动态，净初级生产力、畜肉生产等诸多方面扮演重要角色。草地生态系统的氮循环主要集中在3个方面，其一，草地生态系统中的植物通过吸收土壤中的有效氮素和生物固定的有效氮来完成自身生物量的合成，其中部分生物量被植食性动物获取后，以畜产品的形式带出了草地生态系统，此外，也通过粪便、尸体和尿液等形式回馈给草地。其二，未被获取的植物生物量，作为枯枝落叶被微生物分解成不同形式的氮素参与到循环过程中。最后，还有部分有效氮通过自身挥发也最终参与到生态系统氮素循环中来。

6 总结与展望

氮循环是整个陆地生态系统生物地球化学循环的重要组成部分，各循环过程相互偶联构成了一个极其复杂的反应循环体系，虽然氮循环关键过程都有不同程度的报道，并取得了丰硕的研究成果，但关于各环节之间偶联关系的研究较少。未来应加强同一反应体系中固氮作用、硝化作用、反硝化作用、厌氧铵氧化和硝酸盐异化还原成铵等过程耦合机制的研究，同时，探索整个循环过程中涉及的物理、化学、环境和生物等因素的影响，开发和构建氮循环模型，掌握各反应体系氮循环动态变化，实现对氮循环的有效监测，为氮素的调控和管理提供科学依据。

其次，关于氮循环关键过程中通量(NO2、N2O、N2)的贡献仍不够清楚，土壤—土表—大气3界面之间氮素通量很难量化。未来应从传统的定性研究转为定量观测，从不同时间和空间尺度量化各过程通量大小的贡献，同时阐明环境因子和生物因子对氮通量的影响，并确定各过程中的主导因子和生态机理，从而为氮循环的管理和调控提供理论依据。

最后，应加强氮循环与碳循环和磷循环之间关联研究。C、N、P是构成生命的最基本元素，也是陆地生态系统化学元素循环的最重要组成部分，应分析碳循环和磷循环对氮循环的影响及三者之间的偶联关系，并了解不同C、P 含量下氮的循环情况，同时关注土壤微生物在三大循环中的作用。