微生物介導(dǎo)的氮循環(huán)過程研究進(jìn)展

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(1. 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830046； 2. 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830046)

氮素是控制大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)中植物生長和初級生產(chǎn)的關(guān)鍵限制性營養(yǎng)元素[12-13]，近幾十年來，大范圍的人類活動(dòng)和工業(yè)生產(chǎn)使得活性N的數(shù)量增加了一倍以上[14]，而中國是世界氮沉降最嚴(yán)重的區(qū)域。大氣氮沉降能夠提高貧瘠生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量，在促進(jìn)地上植被凈初級生產(chǎn)和改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)與功能方面發(fā)揮了重要作用[15]，但是，長期的氮沉降會(huì)引起土壤大面積酸化、水體面源污染和N2O排放增加等一系列環(huán)境問題并對經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展造成負(fù)面影響，同時(shí)也威脅到糧食安全和生態(tài)安全，因此，氮沉降不止是個(gè)環(huán)境問題，更是關(guān)乎整個(gè)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)問題。提高土壤氮素利用效率，并對氮肥進(jìn)行科學(xué)有效的管理和調(diào)控，是減少氮肥對環(huán)境造成負(fù)面影響的重要突破口，而揭示氮素在土壤中的轉(zhuǎn)化和循環(huán)過程，闡明其關(guān)鍵過程和機(jī)制是對氮素管理和調(diào)控的重要基礎(chǔ)。

微生物是驅(qū)動(dòng)土壤生源要素生物地球化學(xué)循環(huán)的引擎。氮循環(huán)是土壤生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)的核心之一[16]，微生物在氮循環(huán)過程中的作用逐漸被人們所熟知(包括固氮作用、硝化作用、反硝化作用和礦化作用)，近十年以來，隨著生物地球化學(xué)循環(huán)研究方法與分子生態(tài)學(xué)技術(shù)(變性梯度凝膠電泳、末端限制性片段長度多態(tài)性、克隆測序及實(shí)時(shí)熒光定量PCR等技術(shù))的廣泛結(jié)合，使得對氮循環(huán)的機(jī)制和過程有了重要的認(rèn)識，如新的硝化微生物類群-氨氧化古菌的發(fā)現(xiàn)，以及對其在不同生態(tài)系統(tǒng)中作用機(jī)制和生理生態(tài)適應(yīng)過程的了解，還有在硝化微生物多樣性及其作用機(jī)理研究方面都與分子生態(tài)學(xué)手段密切相關(guān)，極大的推進(jìn)了對氮循環(huán)的認(rèn)識，本文就氮循環(huán)的幾個(gè)關(guān)鍵過程所取得的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為氮循環(huán)關(guān)鍵過程的了解和氮素的管理與調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 固氮作用

生物固氮分為，共生固氮、自生固氮和聯(lián)合固氮三種體系，其中，共生固氮由于其占到了生物固氮總量的60%以上，因此一直是生物固氮研究的重點(diǎn)，在共生固氮方面，自1890年Frank首次將豆科植物根部結(jié)瘤的細(xì)菌稱之為根瘤菌后，大部分的根瘤菌資源被先后發(fā)現(xiàn)和逐步認(rèn)識，世界上有豆科植物大約20000種，其中大部分都能與根瘤菌共生而發(fā)揮巨大的生物固氮作用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2013年1月到2014年7月一年多內(nèi)，僅在國際著名期刊IJSEM ( International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology)上發(fā)表的關(guān)于新的根瘤菌固氮微生物就有近20種[17]，截至目前，發(fā)現(xiàn)的大部分根瘤菌都?xì)w屬于α和β變形菌綱的13個(gè)屬。除此之外，能與植物形成共生固氮關(guān)系的固氮細(xì)菌還有，弗蘭克氏放線菌與藍(lán)細(xì)菌，弗蘭克氏放線菌能與8個(gè)科中21個(gè)屬的近200種非豆科植物共生，同時(shí)發(fā)現(xiàn)弗蘭克氏放線菌在純培養(yǎng)條件下在根瘤中具有相當(dāng)?shù)墓痰钚?，因此，弗蘭克氏放線菌具有自身固氮微生物的特征[18]。另外，藍(lán)細(xì)菌與某些植物或部分地衣結(jié)合也能發(fā)揮共生固氮作用，如念珠藻或魚腥藻與裸子植物蘇鐵共生形成蘇鐵共生體，紅萍與魚腥藻形成的紅萍共生體等，隨著固氮微生物的相繼發(fā)現(xiàn)，對宿主與固氮微生物間的固氮機(jī)制也開展了大量研究，發(fā)現(xiàn)根瘤菌與豆科植物之間的信號傳遞、相互識別、基因表達(dá)調(diào)控對根瘤的形成有著復(fù)雜的聯(lián)系，例如，根瘤菌只有與豆科植物根部結(jié)成根瘤且生活在根瘤內(nèi)才能將大氣中的N2固定為植物所需的氮素，而豆科植物如何與根瘤菌進(jìn)行分子識別最終結(jié)成具有共生固氮的根瘤，研究人員對其進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)根瘤菌能夠產(chǎn)生結(jié)瘤因子、(I、III、IV)型分泌蛋白、IAA和多糖等信號分子，同時(shí)豆科植物也會(huì)產(chǎn)生類黃酮、甜菜堿、葫蘆巴堿以及其他的化學(xué)誘導(dǎo)劑[19]，當(dāng)豆科植物分泌上述化學(xué)誘導(dǎo)物質(zhì)時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)根瘤菌產(chǎn)生結(jié)瘤因子，當(dāng)植物根部識別結(jié)瘤因子后，會(huì)導(dǎo)致根毛變形、表皮細(xì)胞破裂、形成侵染線、根瘤原基開始形成，根瘤菌從侵染線中釋放進(jìn)入根瘤原基細(xì)胞中，根瘤原基開始發(fā)育成根瘤最終形成共生固氮體[20-21]。隨著分子生物學(xué)和新技術(shù)的迅速發(fā)展，逐步認(rèn)清了調(diào)控結(jié)瘤因子產(chǎn)生重要生理反應(yīng)的基因，根毛侵染線的形成也與一些關(guān)鍵基因的調(diào)控密切相關(guān)，如MtNFP 基因的缺失會(huì)形成無效或畸形的侵染線，野生型中華苜蓿根瘤菌如果MtLYK3/HCL 缺失突變體就不會(huì)產(chǎn)生正常的侵染線[22]，許多 exopolysaccharides基因和 lipopolysaccharide基因的調(diào)控有助于根瘤的形成。21世紀(jì)以來，根瘤菌的全基因組測序工作陸續(xù)完成，截止到2013年5月，根瘤菌目共包括14科80屬，其中已完成測序的有179個(gè)菌株，涉及12個(gè)科(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/MICROBES/microbial_ taxtree.html)，此外也對宿主植物大豆、苜蓿、鷹嘴豆等進(jìn)行了全基因組測序[23-25]，這為進(jìn)一步促進(jìn)宿主植物與根瘤菌的分子互作機(jī)理和基因表達(dá)研究提供了科學(xué)數(shù)據(jù)。

圖1 氮素轉(zhuǎn)化過程示意圖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，也受到環(huán)境因子的綜合作用，主要包括溫度、水分、pH和氮素供給等，例如，Breuer等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)耐寥涝鰷啬茱@著提高硝化作用速率，同時(shí)發(fā)現(xiàn)14～26℃是硝化作用最適的溫度范圍；Ingwersen等[30]在溫帶云杉林森林生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，土壤硝化速率在5～25℃時(shí)隨溫度升高而顯著增加；Mahendrappa等[31]對美國南北部地區(qū)的土壤硝化速率與最適溫度的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)美國北部的土壤硝化速率的最適溫度2～25℃，而南部為35℃，可見不同生態(tài)系統(tǒng)硝化速率的響應(yīng)溫度不同，但都在適當(dāng)?shù)臏囟葍?nèi)增溫能顯著增加其速率。水分是一切生物生存的必要物質(zhì)，而硝化作用的過程也無一列外的有水分參加，而水分的含量會(huì)影響硝化速率，如Breuer等[29]研究發(fā)現(xiàn)，硝化速率會(huì)隨著水分含量的增加而降低；也有研究發(fā)現(xiàn)，不同的土壤含水量具有不同的硝化速率[32]。土壤pH和氮素條件是決定氨氧化細(xì)菌和氨氧化古菌存在的重要環(huán)境因素，有研究發(fā)現(xiàn)，低氮、高溫和強(qiáng)酸條件下，氨氧化古菌(AOA)是硝化作用的主要驅(qū)動(dòng)者[33]，而在強(qiáng)堿、高氮條件下，氨氧化細(xì)菌(AOB)是硝化作用的主導(dǎo)者，綜上可見，環(huán)境因素能夠主導(dǎo)微生物的生理生態(tài)功能，進(jìn)而對整個(gè)硝化作用產(chǎn)生影響。

3 反硝化作用

4 厭氧氨氧化及硝酸鹽異化還原成銨作用

5 氮循環(huán)在草地生態(tài)系統(tǒng)的研究概況

中國草地占國土面積的40%以上，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其在生物多樣性維持、碳循環(huán)、氮?jiǎng)討B(tài)，凈初級生產(chǎn)力、畜肉生產(chǎn)等諸多方面扮演重要角色。草地生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)主要集中在3個(gè)方面，其一，草地生態(tài)系統(tǒng)中的植物通過吸收土壤中的有效氮素和生物固定的有效氮來完成自身生物量的合成，其中部分生物量被植食性動(dòng)物獲取后，以畜產(chǎn)品的形式帶出了草地生態(tài)系統(tǒng)，此外，也通過糞便、尸體和尿液等形式回饋給草地。其二，未被獲取的植物生物量，作為枯枝落葉被微生物分解成不同形式的氮素參與到循環(huán)過程中。最后，還有部分有效氮通過自身揮發(fā)也最終參與到生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)中來。

6 總結(jié)與展望

氮循環(huán)是整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分，各循環(huán)過程相互偶聯(lián)構(gòu)成了一個(gè)極其復(fù)雜的反應(yīng)循環(huán)體系，雖然氮循環(huán)關(guān)鍵過程都有不同程度的報(bào)道，并取得了豐碩的研究成果，但關(guān)于各環(huán)節(jié)之間偶聯(lián)關(guān)系的研究較少。未來應(yīng)加強(qiáng)同一反應(yīng)體系中固氮作用、硝化作用、反硝化作用、厭氧銨氧化和硝酸鹽異化還原成銨等過程耦合機(jī)制的研究，同時(shí)，探索整個(gè)循環(huán)過程中涉及的物理、化學(xué)、環(huán)境和生物等因素的影響，開發(fā)和構(gòu)建氮循環(huán)模型，掌握各反應(yīng)體系氮循環(huán)動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)對氮循環(huán)的有效監(jiān)測，為氮素的調(diào)控和管理提供科學(xué)依據(jù)。

其次，關(guān)于氮循環(huán)關(guān)鍵過程中通量(NO2、N2O、N2)的貢獻(xiàn)仍不夠清楚，土壤—土表—大氣3界面之間氮素通量很難量化。未來應(yīng)從傳統(tǒng)的定性研究轉(zhuǎn)為定量觀測，從不同時(shí)間和空間尺度量化各過程通量大小的貢獻(xiàn)，同時(shí)闡明環(huán)境因子和生物因子對氮通量的影響，并確定各過程中的主導(dǎo)因子和生態(tài)機(jī)理，從而為氮循環(huán)的管理和調(diào)控提供理論依據(jù)。

最后，應(yīng)加強(qiáng)氮循環(huán)與碳循環(huán)和磷循環(huán)之間關(guān)聯(lián)研究。C、N、P是構(gòu)成生命的最基本元素，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)元素循環(huán)的最重要組成部分，應(yīng)分析碳循環(huán)和磷循環(huán)對氮循環(huán)的影響及三者之間的偶聯(lián)關(guān)系，并了解不同C、P 含量下氮的循環(huán)情況，同時(shí)關(guān)注土壤微生物在三大循環(huán)中的作用。