土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌的研究进展

土壤中的氨氧化微生物硝化作用（Nitrification）是指生物利用氧气将氨氧化为亚硝酸盐继而将亚硝酸盐氧化为硝酸盐的作用。

氨氧化作用是硝化作用的第一个反应步骤，也是限速步骤，是全球氮循环的中心环节。

氨氧化为亚硝酸盐的过程是由两群微生物完成：氨氧化细菌（AOB）与氨氧化古菌（AOA）。

研究最多的土壤中的氨氧化细菌属于亚硝化单胞菌属与亚硝化球菌属。

尽管在土壤中氨氧化同时发生在细菌和古菌之中，但古菌的氨氧化作用却同时在土壤以及海洋环境中占首要地位。

氨氧化细菌是执行硝化作用第一步的关键微生物，即将氨氧化为亚硝酸盐，该步骤也是硝化速率的限制性步骤。

自养型氨氧化细菌可分为两大类, 一类属于γ-变形细菌(γ-proteobacteria)，只存在于海洋和咸水中，另一类属于β-变形细菌(β-proteobacteria)，土壤中的氨氧化细菌均属此类。

氨氧化细菌通过单加氧酶(amoA)活性控制氨氧化成亚硝酸盐的速率。

最新研究发现具有amoA 基因的泉古菌门的古细菌，进一步研究证实自然界中存在具有氨氧化功能的氨氧化古菌，且陆地生态系统中氨氧化古菌的数量和分布比氨氧化细菌更丰富。

第二步（将亚硝酸盐氧化为硝酸盐）主要是由细菌中的硝化杆菌属来完成。

以上步骤都会产生能量并偶联合成腺苷三磷酸，硝化有机体都是化能自养菌并且利用二氧化碳作为他们生长的碳源。

一些氨氧化细菌具有一种称为脲酶的酶，这种酶催化尿素分子分解为两分子的氨以及一分子的二氧化碳。

人们发现欧洲亚硝化单胞菌与土壤生的氨氧化细菌群一样，可以通过卡尔文循环同化脲酶反应生成的二氧化碳以产生生物质能，并通过将氨（脲酶的另一产物）氧化为亚硝酸盐的过程收获能量。

这一特性可解释为什么在酸性环境中存在尿素的情况下会促进氨氧化细菌的生长。

早年通过同位素示踪技术的研究发现，14C—衰减性无机碳和H132 CO3都能嵌合到生长旺盛的泉古菌细胞上,结合对古代泉古菌的类脂特征分析均表明这些中温海洋泉古菌营自养型生长。

运用单细胞水平上的放射性自显影技术与染色技术相结合的方法也证实了泉古菌对无机碳的结合作用，但这些研究不能确定泉古菌自养生长的能量来源。

直到最近，Venter等用鸟枪法对Sargasso海中的宏基因组进行测序分析后发现,文库中存在新的泉古菌氨单加氧酶基因( amoA)序列；Treusch等在一个43 kb的土壤宏基因组片段中也发现泉古菌的amoA 基因。

这两个研究首次揭示了未培养的中温泉古菌中氨氧化基因的存在。

KÊnneke等成功地从海水中分离到一株泉古菌Nitrosopum ilus maritim us,该菌具有氨单加氧酶基因的所有成员amoA，amoB和amoC，且以氨为唯一能源进行自养生长。

这一发现有力地证实了泉古菌amoA基因与氨氧化作用之间的关系。

AOA和AOB的数量和多样性组成对不同土壤环境条件变化的响应不同，暗示二者在不
同生态环境条件下的活性及其对硝化作用的贡献不同，进一步明确控制AOA和AOB的分布、数量和活性的主导因子以及二者在这些生态系统中对硝化作用的相对贡献，具有重要的意义。

贺纪正等发现氨氧化古菌在酸性土壤硝化作用中起主导作用
中国科学院生态环境研究中心贺纪正研究员课题组于2007年在Environmental Microbiology上首次报道了酸性土壤中存在大量氨氧化古菌（AOA），且AOA的数量与土壤硝化潜势呈显著正相关关系，最近，他们利用稳定性同位素探针技术（SIP），结合经典的分子生态学手段，对我国强酸性土壤中的硝化作用机理开展了深入研究。

根据氨氧化微生物氧化氨时进行化能自养生长固定CO2为碳源的牲征，研究人员在实验室微宇宙培养条件下，分别用13C-CO2和12C-CO2对酸性土壤进行标记培养，通过密度梯度超速离心，将结合了13C和12C的微生物DNA加以分离，并对这些DNA进行分子生物学分析，发现属于奇古菌门(Thaumarchaeota)中的氨氧化古菌(AOA)能固定13CO2，且其丰度变化与活跃的氨氧化速率呈显著正相关。

采用高度灵敏的15N-同位素示踪技术，研究发现酸性土壤能够氧化极低浓度的尿素分子（5 ppm），表明尿酶水解为基础的硝化作用存在于自然界的酸性土壤中。

利用新一代高通量测序技术，开发了无偏差的分子指纹识别方法，发现在整体微生物群落水平古菌增加27倍。

在代表微生物多样性组成的DGGE指纹图谱上，两个AOA类群在培养后显著增加，而相应的氨氧化细菌则变化不明显，表明尿素显著促进了酸性土壤古菌生长和硝化作用，从而直接证明AOA是该酸性土壤硝化作用的主要贡献者。

进一步的系统发育分析表明，我国典型酸性土壤中硝化古菌与英国科学家2011年9月在PNAS报道的酸性土壤硝化古菌Nitrosotalea devanaterra具有最近的亲缘关系，表明古菌主导了酸性土壤氨氧化。

《高含氮稻田深层土壤的氨氧化古菌和厌氧氨氧化菌共存及对氮循环的影响》一文报道，在沼渣处理废水浇灌的高含氮稻田深层土壤中，anammox 与AOA 共存。

通过构建克隆文库发现，此土壤中厌氧氨氧化菌的生物多样性相对较低，35 个克隆序列只分为4 个独立操作单元( OTU)，代表序列与Genebank 数据库中已探明的厌氧氨氧化菌Candidatus ‘Kuenenia stuttgartiensis’的同源性超过95%；对氨氧化古菌的分析发现，20 个克隆子共得到5 个OTU，其与基因库中土壤沉积物进化分支关系最近，序列的同源性部分超过98%。

同位素示踪的初步结果表明，anammox 产生的氮气占此土壤总氮气生成量的24.1%－29.8%。

最近的一些研究证实，在草场的土壤环境中，真正起到氨氧化作用的是AOB，但是在海洋和多数土壤环境中，AOA 起主导作用。

AOA 相对于AOB 更广阔的生态位使得AOA 在一些特殊环境中相对于AOB 具有强的竞争力。