微生物介導的氮循環過程研究進展

，

(1. 新疆大學資源與環境科學學院， 新疆 烏魯木齊 830046； 2. 綠洲生態教育部重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830046)

氮素是控制大多數陸地生態系統中植物生長和初級生產的關鍵限制性營養元素[12-13]，近幾十年來，大范圍的人類活動和工業生產使得活性N的數量增加了一倍以上[14]，而中國是世界氮沉降最嚴重的區域。大氣氮沉降能夠提高貧瘠生態系統中土壤養分和作物產量，在促進地上植被凈初級生產和改變群落結構與功能方面發揮了重要作用[15]，但是，長期的氮沉降會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境問題并對經濟的可持續發展造成負面影響，同時也威脅到糧食安全和生態安全，因此，氮沉降不止是個環境問題，更是關乎整個人類社會經濟可持續發展的科學問題。提高土壤氮素利用效率，并對氮肥進行科學有效的管理和調控，是減少氮肥對環境造成負面影響的重要突破口，而揭示氮素在土壤中的轉化和循環過程，闡明其關鍵過程和機制是對氮素管理和調控的重要基礎。

微生物是驅動土壤生源要素生物地球化學循環的引擎。氮循環是土壤生態系統元素循環的核心之一[16]，微生物在氮循環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，隨著生物地球化學循環研究方法與分子生態學技術(變性梯度凝膠電泳、末端限制性片段長度多態性、克隆測序及實時熒光定量PCR等技術)的廣泛結合，使得對氮循環的機制和過程有了重要的認識，如新的硝化微生物類群-氨氧化古菌的發現，以及對其在不同生態系統中作用機制和生理生態適應過程的了解，還有在硝化微生物多樣性及其作用機理研究方面都與分子生態學手段密切相關，極大的推進了對氮循環的認識，本文就氮循環的幾個關鍵過程所取得的研究進展進行綜述，以期為氮循環關鍵過程的了解和氮素的管理與調控提供理論依據。

1 固氮作用

生物固氮分為，共生固氮、自生固氮和聯合固氮三種體系，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，在共生固氮方面，自1890年Frank首次將豆科植物根部結瘤的細菌稱之為根瘤菌后，大部分的根瘤菌資源被先后發現和逐步認識，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揮巨大的生物固氮作用，據統計，僅2013年1月到2014年7月一年多內，僅在國際著名期刊IJSEM ( International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology)上發表的關于新的根瘤菌固氮微生物就有近20種[17]，截至目前，發現的大部分根瘤菌都歸屬于α和β變形菌綱的13個屬。除此之外，能與植物形成共生固氮關系的固氮細菌還有，弗蘭克氏放線菌與藍細菌，弗蘭克氏放線菌能與8個科中21個屬的近200種非豆科植物共生，同時發現弗蘭克氏放線菌在純培養條件下在根瘤中具有相當的固氮活性，因此，弗蘭克氏放線菌具有自身固氮微生物的特征[18]。另外，藍細菌與某些植物或部分地衣結合也能發揮共生固氮作用，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現，對宿主與固氮微生物間的固氮機制也開展了大量研究，發現根瘤菌與豆科植物之間的信號傳遞、相互識別、基因表達調控對根瘤的形成有著復雜的聯系，例如，根瘤菌只有與豆科植物根部結成根瘤且生活在根瘤內才能將大氣中的N2固定為植物所需的氮素，而豆科植物如何與根瘤菌進行分子識別最終結成具有共生固氮的根瘤，研究人員對其進行了大量研究，發現根瘤菌能夠產生結瘤因子、(I、III、IV)型分泌蛋白、IAA和多糖等信號分子，同時豆科植物也會產生類黃酮、甜菜堿、葫蘆巴堿以及其他的化學誘導劑[19]，當豆科植物分泌上述化學誘導物質時，會誘導根瘤菌產生結瘤因子，當植物根部識別結瘤因子后，會導致根毛變形、表皮細胞破裂、形成侵染線、根瘤原基開始形成，根瘤菌從侵染線中釋放進入根瘤原基細胞中，根瘤原基開始發育成根瘤最終形成共生固氮體[20-21]。隨著分子生物學和新技術的迅速發展，逐步認清了調控結瘤因子產生重要生理反應的基因，根毛侵染線的形成也與一些關鍵基因的調控密切相關，如MtNFP 基因的缺失會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 缺失突變體就不會產生正常的侵染線[22]，許多 exopolysaccharides基因和 lipopolysaccharide基因的調控有助于根瘤的形成。21世紀以來，根瘤菌的全基因組測序工作陸續完成，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個菌株，涉及12個科(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/MICROBES/microbial_ taxtree.html)，此外也對宿主植物大豆、苜蓿、鷹嘴豆等進行了全基因組測序[23-25]，這為進一步促進宿主植物與根瘤菌的分子互作機理和基因表達研究提供了科學數據。

圖1 氮素轉化過程示意圖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]的研究發現，適當的土壤增溫能顯著提高硝化作用速率，同時發現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系統的研究發現，土壤硝化速率在5～25℃時隨溫度升高而顯著增加；Mahendrappa等[31]對美國南北部地區的土壤硝化速率與最適溫度的關系進行了研究，發現美國北部的土壤硝化速率的最適溫度2～25℃，而南部為35℃，可見不同生態系統硝化速率的響應溫度不同，但都在適當的溫度內增溫能顯著增加其速率。水分是一切生物生存的必要物質，而硝化作用的過程也無一列外的有水分參加，而水分的含量會影響硝化速率，如Breuer等[29]研究發現，硝化速率會隨著水分含量的增加而降低；也有研究發現，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菌和氨氧化古菌存在的重要環境因素，有研究發現，低氮、高溫和強酸條件下，氨氧化古菌(AOA)是硝化作用的主要驅動者[33]，而在強堿、高氮條件下，氨氧化細菌(AOB)是硝化作用的主導者，綜上可見，環境因素能夠主導微生物的生理生態功能，進而對整個硝化作用產生影響。

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 氮循環在草地生態系統的研究概況

中國草地占國土面積的40%以上，作為陸地生態系統的重要組成部分，其在生物多樣性維持、碳循環、氮動態，凈初級生產力、畜肉生產等諸多方面扮演重要角色。草地生態系統的氮循環主要集中在3個方面，其一，草地生態系統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物獲取后，以畜產品的形式帶出了草地生態系統，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過程中。最后，還有部分有效氮通過自身揮發也最終參與到生態系統氮素循環中來。

6 總結與展望

氮循環是整個陸地生態系統生物地球化學循環的重要組成部分，各循環過程相互偶聯構成了一個極其復雜的反應循環體系，雖然氮循環關鍵過程都有不同程度的報道，并取得了豐碩的研究成果，但關于各環節之間偶聯關系的研究較少。未來應加強同一反應體系中固氮作用、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制的研究，同時，探索整個循環過程中涉及的物理、化學、環境和生物等因素的影響，開發和構建氮循環模型，掌握各反應體系氮循環動態變化，實現對氮循環的有效監測，為氮素的調控和管理提供科學依據。

其次，關于氮循環關鍵過程中通量(NO2、N2O、N2)的貢獻仍不夠清楚，土壤—土表—大氣3界面之間氮素通量很難量化。未來應從傳統的定性研究轉為定量觀測，從不同時間和空間尺度量化各過程通量大小的貢獻，同時闡明環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因子和生態機理，從而為氮循環的管理和調控提供理論依據。

最后，應加強氮循環與碳循環和磷循環之間關聯研究。C、N、P是構成生命的最基本元素，也是陸地生態系統化學元素循環的最重要組成部分，應分析碳循環和磷循環對氮循環的影響及三者之間的偶聯關系，并了解不同C、P 含量下氮的循環情況，同時關注土壤微生物在三大循環中的作用。