农田土壤nirK和nirS型反硝化微生物的研究进展
有机肥施加对红壤中反硝化细菌nirK基因多样性影响
土 壤 (Soils), 2021, 53(1): 72–79①基金项目：国家自然科学基金项目(41371262；40871125)资助。
* 通讯作者作者简介：张晨阳(1994—)，男，山西长治人，硕士研究生，研究方向为土壤微生物生态学。
DOI: 10.13758/ki.tr.2021.01.010张晨阳, 滕齐辉, 曹滢, 等. 有机肥施加对红壤中反硝化细菌nirK 基因多样性影响. 土壤, 2021, 53(1): 72–79.有机肥施加对红壤中反硝化细菌nirK 基因多样性影响①张晨阳，滕齐辉，曹 滢，崔中利，李顺鹏，曹 慧*(南京农业大学生命科学学院/农业农村部农业环境微生物工程重点实验室，南京 210095)摘 要：为了解有机肥施用对于红壤中反硝化细菌群落结构的影响，设置了4个处理：CK(不施肥)、LM(低量有机肥)、ML(高量有机肥+石灰)和HM(高量有机肥)进行研究，并通过末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)和克隆文库的DNA 测序估计了nirK 基因的多样性。
结果表明：各处理分别挑选的288个阳性克隆子可分为78个类型，各处理nirK 文库中的优势类群属于同一种类型，在CK 处理中的占比为51%，在其他3个处理中的占比依次为33%、32% 和27%。
4个文库之间两两的相似性在37.50% ~ 45.34%，系统进化树分析表明，51个OTUs 测序结果中6个OTUs 与苍白杆菌属的相似性最高，占测序总数的11.8%；其余45个OTUs 属于未培养类型，占测序总数的88.2%。
有机肥添加有助于提高nirK 基因的多样性，并且出现了红壤原始环境中未出现的反硝化细菌类型。
关键词：反硝化细菌；nirK 基因；RFLP 分析；红壤；有机肥施加 中图分类号：Q938.1 文献标志码：AEffect of Organic Manure Application on Diversity of nirK Gene in Denitrifying Bacteria in Red SoilZHANG Chenyang, TENG Qihui, CAO Ying, CUI Zhongli, LI Shunpeng, CAO Hui *(Key Laboratory of Agricultural Environmental Microbiology , Ministry of Agriculture , College of Life Science , Nanjing Agricultural University , Nanjing 210095, China )Abstract: In order to understand the effect of organic manure application on the structure of denitrifying bacteria in redsoil, four treatments were designed and compared: 1) CK, no manure; 2) LM, low organic manure; 3) ML, high organic manure + lime; and 4) HM, high amount organic manure. The diversity of the nirK gene was estimated by terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) and DNA sequencing of the cloned library. The results showed that the 288 clones selected in each treatment can be divided into 78 clusters, and the dominant groups in each nirK library were of the same cluster, accounting for 51% of the CK, while the other three treatments were 33%, 32% and 27%, respectively. The similarity between the four libraries was between 37.50% and 45.34%. The phylogenetic tree analysis of the 51 OTUs showed that 6 OTUs had the highest similarity with Ochrobactrum sp., accounting for 11.8% of the total number of sequencing. The remaining 45 OTUs belonged to the uncultured cluster, accounting for 88.2% of the total number of sequencing. Organic manure addition increased the diversity of the nirK gene, but some types of denitrifying bacteria didn’t appear in the original red soil environment.Key words: Denitrifying bacteria; nirK gene; RFLP; Red soil; Application of organic manure红壤在我国热带和亚热带地区广泛分布，是我国最主要的土壤类型之一，在全国范围内共有148万km 2，占耕地总面积的36%[1]。
减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响
减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响随着农业生产的不断发展和技术的进步，化肥的使用量逐渐增加，为了提高农作物的产量和质量，很多农民和农业生产者都倾向于大量施用化肥。
长期的过量施用化肥不仅给土壤和环境带来了严重的污染，还导致了土壤微生物的消失和生态系统的破坏。
减施化肥已成为当前农业持续发展的重要方向之一。
水稻是我国的主要粮食作物之一，而反硝化作用是土壤中一个重要的氮素循环过程，因此研究减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响具有重要的意义。
nirK型反硝化菌是土壤中一类重要的微生物，具有重要的生物学功能。
nirK型反硝化菌可以利用土壤中的硝酸盐进行反硝化作用，将硝酸盐还原为氧气或氮气，释放出大量的氮气，并参与土壤中的氮素循环过程。
nirK型反硝化菌在土壤生态系统中具有非常重要的作用。
长期的过量施用化肥会导致土壤中硝酸盐的积累，从而抑制nirK型反硝化菌的活性和丰度，影响土壤中的氮素循环过程。
研究减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响是十分必要的。
近年来，国内外的许多研究已经对减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响进行了深入的研究。
研究表明，适度减施化肥可以显著提高水稻土壤中nirK型反硝化菌的丰度，增加土壤中的氮气释放量，有利于土壤中的氮素循环。
一项研究显示，在水稻田中适度减施氮肥后，土壤中nirK型反硝化菌的丰度显著增加，氮气释放量也明显增加。
另一项研究发现，减施化肥可以显著改变水稻根系和土壤中的微生物群落结构，增加nirK型反硝化菌的丰度。
适度减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度有着明显的促进作用。
也有一些研究表明，减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响具有一定的时空差异性。
一些研究发现，在一些地区和生长季节，减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响并不显著，甚至可能会有一定的负面影响。
这表明减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度影响的复杂性和多样性，需要进一步的深入研究和探讨。
生物脱氮技术中好氧反硝化细菌的代谢及应用研究进展
ｉｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ａ ｈｉｇｈ￣ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ.
关键词: 好氧反硝化细菌ꎻ 机制ꎻ 筛选ꎻ 影响因素ꎻ 应用
中图分类号: Ｘ１７２ 文章编号: １００１￣６９２９(２０２０)０３￣０６６８￣０９
文献标志码: Ａ
ＤＯＩ: １０ １３１９８∕ｊ ｉｓｓｎ １００１￣６９２９ ２０１９ ０９ ０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｅｒｏｂｉｃ Ｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇ Ｂａｃｔｅｒｉａ
１.西安建筑科技大学ꎬ 陕西省环境工程重点实验室ꎬ 陕西 西安 ７１００５５
２.西安建筑科技大学环境与市政工程学院ꎬ 陕西 西安 ７１００５５
摘要: 微生物脱氮是水体氮素去除最常用的有效方式ꎬ具有高效、经济和二次污染小等特点. 好氧反硝化细菌的发现是微生物脱
氮技术的重要里程碑ꎬ为新型生物脱氮领域的研发提供了新出路. 当前ꎬ探究好氧反硝化细菌的脱氮特性及各环境因子( 如碳源
第 ３３ 卷 第 ３ 期
环 境 科 学 研 究
２０２０ 年 ３ 月
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
Ｖｏｌ.３３ꎬＮｏ.３
Ｍａｒ.ꎬ２０２０
生物脱氮技术中好氧反硝化细菌的代谢及应用研究进展
土壤反硝化作用研究进展
土壤反硝化作用研究进展作者：吕海霞杨丹丹牛犇来源：《河南农业·综合版》2020年第10期土壤反硝化作用是氮素生物地球化学循环的重要环节，是实现完整氮素循环不可缺少的组成部分。
一、国内外研究进展（一）影响因素19世纪五六十年代以来，国际上对土壤反硝化作用进行了大量的研究，特别是在其发生条件、研究方法及产物组成上有很大的进展。
一般认为pH值和有机碳含量是影响土壤反硝化作用的重要因素。
（二）发生要求反硝化过程通常用于描述氮氧化物（NO3-或NO2-）还原转化成氮气体（N2O和N2）的过程。
反硝化作用发生的总要求是：反硝化微生物并且具有代谢能力;合适的电子供体;嫌气条件或O2的有效性受到限制;N的氧化物，如 NO3-、NO2-、NO或N2O作为末端电子受体;适当的温度。
只有在上述条件同时满足的情况下，反硝化作用才能显著。
（三）研究方法土壤反硝化作用的研究方法种类很多，根据是在室内或是室外测定的不同，一般可分为田间原位测定方法和实验室培养测定方法两类。
根据测定的是产物还是反硝化底物的不同，可分为直接气体产物测定法、间接平衡差减法和底物消失速率测定法。
另外，根据测定中所用试剂的不同，又可将其分为15N同位素方法和乙炔抑制法。
（四）产生的效应反硝化的气态产物为NO， N2O和N2 。
反硝化作用对环境所产生的效应取决于其所产生的终产物及不同产物之间的比例。
众所周知，N2O是重要的温室气体之一，参与大气的光化学反应，而且很容易破坏臭氧层。
在百年时间尺度上N2O的全球增温潜势是CO2的296倍，其在大气中的寿命为120年。
自1988年以来，N2O以每年0.8 ug/L的速率增长，2004年浓度达318.6 ug/L ，比工业革命前（270 ug/L）增长了18%。
全球N2O年排放量是16.4Tg，其中土壤是N2O重要的排放源，约占年总排放量的62.2% ，施肥农业土壤上排放的N2O-N约为2.8 Tg。
产物NO虽然不是温室气体，但其是大气中的活性物质，在对流层中很容易被氧化成NO2。
反硝化细菌研究进展
反硝化细菌研究进展反硝化细菌研究进展随着环境问题的日益严重化，氮循环的研究成为了科学界热门的话题之一。
在氮循环中，反硝化过程是一种重要的环境微生物功能，对维持地球生态系统的氮平衡起着至关重要的作用。
反硝化细菌作为氮循环中的关键参与者，在近几十年的研究中获得了重要的突破，为我们深入了解氮循环和地球生态系统的稳定性提供了基础。
反硝化细菌是一类能够将硝酸盐还原为氮气的微生物。
通过这一过程，它们将硝酸盐中的氮氧化还原为氮气释放到大气中，从而实现了氮的循环。
这一反应在自然界中频繁发生，在土壤、河流和湿地等环境中都能找到反硝化细菌的存在。
从分子生物学的角度来看，反硝化细菌主要是通过一系列的关键酶来完成这一过程，其中包括亚硝酸还原酶（nitrite reductase）、氮氧化还原酶（nitrous oxide reductase）等。
近年来，研究人员在反硝化细菌的研究中取得了一系列突破性的进展。
首先，在分离鉴定方面，研究人员基于微生物学和分子生物学技术，对不同环境中的反硝化细菌进行了分离鉴定，并揭示了它们的多样性和分布情况。
例如，土壤是反硝化细菌最为丰富的环境之一，其中的反硝化细菌数量和多样性区域差异很大。
另外，研究人员通过从不同生态系统中分离得到的反硝化细菌菌株的基因组测序分析，发现了一些具有潜在应用价值的基因，如对硝酸盐吸收和利用的基因。
这为后续的应用研究提供了基础。
另外，研究人员在反硝化细菌代谢和调控机制的研究方面也取得了重要进展。
近年来，通过转录组学、蛋白质组学和代谢组学等高通量技术手段，研究人员对反硝化细菌的基因表达水平和代谢途径进行了全面解析，揭示了其对不同环境条件的响应机制。
例如，在缺氧环境下，反硝化细菌可以通过菌株内氨和甲醇等化合物的共代谢来实现能量和电子供应。
此外，研究人员还发现了一些关键的调控基因和调控网络，如环境和生理条件下的转录因子和信号通路的调控。
最后，反硝化细菌在环境修复和污染控制方面的应用也引起了研究人员的广泛关注。
反硝化细菌nirS功能基因的多样性研究 论文答辩
渤海沿岸工农业和水产养殖 业迅猛发展，渤海海洋开发活 动加剧，再加上各个输入河流 带来的陆源营养物质，氮、磷 含量不断增加。
图1-1 渤海地图
一. 选题背景及意义
1.1 选题背景
反硝化作用由反硝化细菌还原硝酸盐或亚硝酸盐并释放N20、NO或N2 的过程，这个过程是氮素重返大气层的主要环节，对于维持整个氮循 环中氮的平衡起着举足轻重的作用 。
四. 讨论
4.2渤海反硝化细菌群落结构与环境的关系
B01站位地处辽东湾，细菌的多样性分布受到磷酸盐含量、溶解氧浓度、 PH和硝酸盐含量的影响，可能受到辽河等多条河流注入的原因，反硝化细 菌的多样性较高；
B03站位多样性的主要影响因素是溶解氧浓度，可能是因为周围没有大 量河流的注入，污染较轻的缘故； B05站位的多样性与硝酸盐的含量相关，可能是受沿海港口以及渤海油 田等排入的污染源影响，氮污染的状况也相对严重，反硝化细菌的多样性 较高；
图1-2 反硝化功能酶和功能基因
一. 选题背景及意义
1.2 主要技术CA分析 Unifrac分析、多样性指数 分析、系统进化分析 环境因子
反硝化细菌的多样性、群落分布、结构与环境因子的关系
图1-3 主要技术路线图
一. 选题背景及意义
1.3 研究目的及创新点
B05站位在 各个Cluster 中都有分布
B07站位分布在 Cluster I、II、 IV、 V
60% 80% 100%
图3-15 各个站位克隆数在每个Cluster中的分布
B15站位分布在 Cluster I、 III、 IV、 V
三. 实验结果
3.8 nirS基因的系统进化分析
B01，B05，B07 站位在Cluster II中有分布 B01，B03，B05， B11，B15站位在 Cluster III中有 分布 B01，B03，B05， B07，B11，B15站 位在Cluster IV中 都有分布 B01，B03，B05， B07，B11，B15站 位在Cluster I中都 有分布
反硝化功能基因nirS和nirK及其检测技术研究进展
反硝化功能基因nirS和nirK及其检测技术研究进展
张旭志;杨倩倩;赵俊;曲克明
【期刊名称】《微生物学杂志》
【年(卷),期】2018(38)4
【摘要】反硝化作用对维持环境氮平衡具有重要意义,其过程中亚硝酸盐向NO的转化是关键步骤,由亚硝酸盐还原酶控制,因此检测亚硝酸盐还原酶编码基因可以从分子生物学角度深入分析微生物种群特性和氮元素的转化规律,进而为评估生态环境健康状况等科研与生产活动提供支撑数据。
重点综述了近年来反硝化作用功能基因nirS和nirK及其检测技术的研究进展,并对未来可预期的检测技术进行了展望,以期为该领域的研究人员提供参考。
【总页数】8页(P84-91)
【关键词】反硝化作用;功能基因;nirS;nirK;检测技术
【作者】张旭志;杨倩倩;赵俊;曲克明
【作者单位】中国水产科学研究院黄海水产研究所青岛海洋科学与技术国家实验室;上海海洋大学海洋科学学院
【正文语种】中文
【中图分类】Q939.99;X172
【相关文献】
1.基于nir S基因的反硝化细菌快速定量检测 [J], 魏利;马放;苏俊峰;姚杰;王强
2.牛场肥水灌溉对土壤nirK、nirS型反硝化微生物群落结构的影响 [J], 王婷;刘丽
丽;张克强;王风;杜会英;高文萱
3.农田土壤nirK和nirS型反硝化微生物的研究进展 [J], 赵明明;赵鑫盟;希尼尼根;于景丽
4.辽河口沉积物反硝化过程研究-以反硝化功能基因丰度及nirK型细菌群落结构分析为例 [J], 明红霞;陈泉睿;史银银;苏洁;于颖;樊景凤
5.nirS和nirK型反硝化细菌在水稻根中的分布 [J], 陈泽斌;李冰;林丽;刘佳妮;余磊;徐胜光
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减少农田土壤氮损失的微生物调控技术研究进展
山东科学ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥ第３７卷第２期２０２４年４月出版Ｖｏｌ.３７Ｎｏ.２Ａｐｒ.２０２４收稿日期:２０２４￣０１￣０８基金项目:济南市 新高校２０条 资助项目(２０２１ＧＸＲＣ０４０)ꎻ山东省现代农业产业技术体系－现代耕作制度(ＳＤＡＩＴ￣３１￣０４)作者简介:许冬宁(１９７９ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为植物病理㊁应用微生物ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｘｕｄｏｎｇｎｉｎｇ＠ｄｅｚｏｎｇｃｎ.ｃｏｍ∗通信作者ꎬ张新建ꎬ男ꎬ研究员ꎬ研究方向为面源污染防治㊁植病生防ꎮＴｅｌ:133****7877ꎬE￣mail:ｚｈａｎｇｘｊ＠ｓｄａｓ.ｏｒｇ肖桂青ꎬ女ꎬ副教授ꎬ研究方向为植物生物化学与分子生物学ꎮＴｅｌ:137****8318ꎬE￣mail:ｘｈｘｇｑ２２＠１６３.ｃｏｍ减少农田土壤氮损失的微生物调控技术研究进展许冬宁１ꎬ吴晓青２ꎬ周方园２ꎬ范素素２ꎬ张新建２∗ꎬ肖桂青１∗ꎬ王加宁２(１.湖南农业大学生物科学技术学院ꎬ湖南长沙４１０１２８ꎻ２.齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省科学院生态研究所山东省应用微生物重点实验室ꎬ山东济南２５０１０３)摘要:氮肥为现代农业生产提供了作物生长需求的氮素ꎬ但长期不合理施用氮肥造成资源浪费㊁经济损失和影响深远的环境问题ꎮ微生物在氮素循环中发挥重要作用ꎬ值得研究总结ꎮ基于已有研究成果ꎬ归纳土壤氮素循环中的固氮㊁硝化㊁反硝化㊁氨化和同化/异化作用等重要微生物驱动过程及机制ꎻ归纳了微生物技术调控农业氮损失旨在提升农业环境可持续性的策略包括增加氮固定㊁减少温室气体排放㊁控制氮素流失和氨挥发等ꎮ这些策略展示了微生物在减少氮肥依赖和提高作物产量中的应用潜力ꎬ同时也指出了实现田间有效应用的研究局限和技术挑战ꎮ关键词:农田土壤ꎻ氮素循环ꎻ氮素损失ꎻ微生物调控ꎻ氮肥减施增效中图分类号:Ｑ９３㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００２￣４０２６(２０２４)０２￣０１１７￣１０开放科学(资源服务)标志码(ＯＳＩＤ):ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｍｉｃｒｏｂｉａｌｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｔｏｒｅｄｕｃｅｎｉｔｒｏｇｅｎｌｏｓｓｉｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｓｏｉｌｓＸＵＤｏｎｇｎｉｎｇ１ꎬＷＵＸｉａｏｑｉｎｇ２ꎬＺＨＯＵＦａｎｇｙｕａｎ２ꎬＦＡＮＳｕｓｕ２ꎬＺＨＡＮＧＸｉｎｊｉａｎ２∗ꎬＸＩＡＯＧｕｉｑｉｎｇ１∗ꎬＷＡＮＧＪｉａｎｉｎｇ２(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＢｉｏｓｃｉｅｎｃｅａｎｄＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨｕｎａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈａｎｇｓｈａ４１０１２８ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｐｐｌｉｅｄＭｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙꎬＥｃｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＱｉｌｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(ＳｈａｎｄｏｎｇＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ)ꎬＪｉｎａｎ２５０１０３ꎬＣｈｉｎａ)ＡｂｓｔｒａｃｔʒＮｉｔｒｏｇｅｎｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｎｉｔｒｏｇｅｎｎｅｃｅｓｓａｒｙｆｏｒｃｒｏｐｇｒｏｗｔｈｉｎｍｏｄｅｒｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎꎬｂｕｔｔｈｅｉｒｅｘｃｅｓｓｉｖｅｕｓｅｉｎｔｈｅｌｏｎｇｔｅｒｍｌｅａｄｓｔｏｗａｓｔｅｏｆｒｅｓｏｕｒｃｅｓꎬｅｃｏｎｏｍｉｃｌｏｓｓｅｓａｎｄｐｒｏｆｏｕｎｄｎｅｇａｔｉｖｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｍｐａｃｔｓ.Ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓｐｌａｙａｃｒｉｔｉｃａｌｒｏｌｅｉｎｔｈｅｎｉｔｒｏｇｅｎｃｙｃｌｅꎻｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｔｈｅｒｅｉｓａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｎｅｅｄｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｈｉｓｆｉｅｌｄ.Ｈｅｒｅꎬｗｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｏｕｒｆｉｎｄｉｎｇｓｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｅｓｂｙｗｈｉｃｈｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓｄｒｉｖｅｔｈｅｓｏｉｌｎｉｔｒｏｇｅｎｃｙｃｌｅꎬｉｎｃｌｕｄｉｎｇｎｉｔｒｏｇｅｎｆｉｘａｔｉｏｎꎬｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎꎬｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎꎬａｍｍｏｎｉｆｉｃａｔｉｏｎꎬａｎｄｎｉｔｒｏｇｅｎａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ/ｄｉｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ.Ｗｅｆｕｒｔｈｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｍｉｃｒｏｂｉａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｆｏｒｍｉｔｉｇａｔｉｎｇａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｎｉｔｒｏｇｅｎｌｏｓｓａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｓｕｓｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙꎬｓｕｃｈａｓｎｉｔｒｏｇｅｎｆｉｘａｔｉｏｎꎬｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｇａｓｅｍｉｓｓｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎꎬｎｉｔｒｏｇｅｎｂｉｏｒｅｔｅｎｔｉｏｎꎬａｎｄａｍｍｏｎｉａｖｏｌａｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｓｅｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓｉｎｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｎｎｉｔｒｏｇｅｎｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｓａｎｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｃｒｏｐｙｉｅｌｄｓꎬｗｈｉｌｅａｌｓｏｈｉｇｈｌｉｇｈｔｉｎｇｔｈｅｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｏｆｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓʒａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｓｏｉｌｓꎻｓｏｉｌｎｉｔｒｏｇｅｎｃｙｃｌｉｎｇꎻｓｏｉｌｎｉｔｒｏｇｅｎｌｏｓｓꎻｍｉｃｒｏｂｉａｌｒｅｇｕｌａｔｉｏｎꎻｎｉｔｒｏｇｅｎｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒｕｓｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ㊀㊀随着世界人口的不断增长ꎬ人们对粮食的需求也不断增加ꎬ氮肥为提高作物产量和保障粮食安全做出了巨大贡献ꎮ氮素是构成ＤＮＡ㊁蛋白质㊁酶等有机分子不可或缺的元素ꎬ也是生命体得以生存和繁衍的关键营养物质ꎮ在生物组织的所有化学元素中ꎬ氮素仅次于氧㊁碳和氢ꎮ在现代农业生产系统中ꎬ为满足作物对氮素的生长需求ꎬ施用氮肥已成为提高作物生产力的有效途径ꎮ但是氮肥长期不合理施用ꎬ造成主要作物种植系统的氮素利用效率较低ꎬ一般在３０％~５０％[１]ꎬ也对全球气候变化和生态环境安全造成了严重的负面影响ꎬ约有５０％的肥料氮以氨(ＮＨ３)挥发㊁氮转化过程释放出的各种气体(ＮＯ２㊁ＮＯ㊁Ｎ２Ｏ和Ｎ２)以及硝酸盐(ＮＯ－３)和亚硝酸盐(ＮＯ－２)淋失等形式排放至大气㊁深层土壤或水体中ꎮ上述氮损失途径ꎬ不仅造成了资源浪费和经济损失ꎬ也对环境健康构成威胁ꎮ例如ꎬＮＨ３是空气中唯一的碱性气体ꎬ会与ＳＯ２和ＮＯｘ等酸性物质反应生成氨气溶胶ꎬ是雾霾中ＰＭ２.５的主要贡献者[２]ꎻＮ２Ｏ是重要的温室气体之一ꎬ温室效应是ＣＯ２的３００倍以上ꎻＮＯ－３不易被土壤吸附ꎬ非常容易淋溶流失ꎬ造成水体的富营养化ꎬ导致藻华爆发和生物多样性丧失[３]ꎮ微生物在氮素形态的转化过程中发挥着重要的作用ꎮ大气中的氮气(Ｎ２)是氮元素的最大储存库ꎬ然而只有少量的固氮细菌或真菌能够直接利用它ꎬ其他生命体则依赖于活性更强的氧化态氮和还原态氮(统称为活性氮)来满足其需求ꎮ土壤中氮素在微生物的作用下通过以下过程进行有序循环:Ｎ２通过固氮作用(ｎｉｔｒｏｇｅｎｆｉｘａｔｉｏｎ)ꎬ转化形成ＮＨ３ꎬＮＨ３经过同化作用(ａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ)转化成有机氮ꎬ有机氮经过氨化作用(ａｍｍｏｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ)降解形成ＮＨ＋４ꎬ随后通过硝化作用(ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ)转化成ＮＯ－２和ＮＯ－３ꎬ再通过反硝化作用(ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ)转换成Ｎ２Ｏ或者Ｎ２ꎬ或者通过硝酸盐异化还原成为ＮＨ＋４(ｄｉｓｓｉｍｉｌａｔｏｒｙｎｉｔｒａｔｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｔｏａｍｍｏｎｉｕｍꎬＤＮＲＡ)ꎬＮＯ－２与ＮＨ＋４在厌氧氨氧化作用(ａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉｕｍｏｘｉｄａｔｉｏｎꎬＡＮＡＭＭＯＸ)下形成Ｎ２[３￣４]ꎮ通过了解氮循环的过程以及微生物在氮循环中发挥的主要作用ꎬ研究者尝试直接利用微生物调控氮素转化过程ꎬ或者利用物理化学手段对微生物活动进行干预ꎬ以实现对氮素转化的间接调控ꎮ这些技术可以通过改善土壤环境ꎬ减少氮素的流失和排放ꎬ达到节约资源㊁减少环境污染的目的ꎮ尽管微生态调控技术的研究和应用已经取得了一定的进展ꎬ但由于氮循环的微生物驱动机制非常复杂ꎬ人们对微生物在控制氮损失过程中的重要性认识不足ꎬ导致目前基于微生物控制农田土壤氮损失的规模化应用的案例较少ꎮ本文从农田土壤氮素循环中重要的微生物驱动机制和利用微生物控制主要氮损失途径两个方面进行综述ꎬ以期为推动微生物技术在氮肥减施增效和防治面源污染领域的应用提供理论参考ꎮ１㊀微生物与土壤氮素循环目前ꎬ活性氮的主要来源是通过固氮作用将大气中的氮气固定下来ꎬ包括闪电作用下的自然固氮㊁陆地或水生系统中的生物固氮以及人工合成固氮[４]ꎮ无论是哪种固氮作用ꎬ都需要微生物的参与才能实现氮素的转化ꎬ并使其能被生物体吸收利用ꎮ实际上ꎬ氮素转化是氮元素在－３价和＋５价之间的一系列氧化还原反应ꎮ不同类型的微生物(如细菌㊁真菌和古菌)可能会参与一个或多个过程ꎬ而且它们的代谢途径也是多种多样的ꎮ根据氮素转化的类型ꎬ土壤氮素循环主要包括以下几个重要的过程:固氮作用㊁硝化作用㊁反硝化作用㊁氨化作用㊁同化/异化作用ꎮ１.１㊀固氮作用固氮作用(ｎｉｔｒｏｇｅｎｆｉｘａｔｉｏｎ)是指微生物通过自生固氮㊁共生固氮和联合固氮等方式ꎬ将大气中的氮气转化为氨的过程ꎮ这些微生物拥有固氮酶ꎬ能够在常温常压下将Ｎ２还原成ＮＨ３ꎮ目前已经发现ꎬ有超过１００个属的细菌和古菌中都存在固氮微生物ꎬ包括好氧和厌氧的固氮细菌㊁蓝细菌以及与豆科植物共生的根瘤菌和与非豆科植物共生的放线菌等ꎮ其中ꎬ根瘤菌与豆科植物共生体系的固氮能力最为强大[５]ꎮ固氮酶主要有３种类型:钼－铁(ＭｏＦｅ)㊁钒－铁(ＶＦｅ)和铁－铁(ＦｅＦｅ)ꎮ它们具有相似的序列㊁结构和功能特性ꎬ但金属辅因子不同ꎮ所有的固氮酶都由催化和电子转运两部分组成ꎬ以铁㊁钒和钼等为活性中心的催化部分其编码基因分别为ａｎｆＤＧＫ㊁ｖｎｆＤＧＫ和ｎｉｆＤＫꎮ另外ꎬｎｉｆＨ㊁ａｎｆＨ和ｖｎｆＨ基因编码含铁的电子转运蛋白ꎬ其中ｎｉｆＨ基因常作为检测固氮微生物的标记基因[４]ꎮ１.２㊀硝化作用硝化作用(ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ)是在需氧条件下ＮＨ３或ＮＨ＋４向硝酸盐(ＮＯ－３)转化的一系列氧化过程ꎮ硝化过程主要涉及３个氮素转化的阶段:第一步ꎬＮＨ３或ＮＨ＋４转化成羟胺(ＮＨ２ＯＨ)ꎬ该过程主要由氨氧化细菌(ＡＯＢ)或氨氧化古菌(ＡＯＡ)中的氨单加氧酶(ＡＭＯ)催化[６]ꎮ在ＡＯＢ中ꎬＡＭＯ包含由ａｍｏＡ㊁ａｍｏＢ和ａｍｏＣ基因编码的３个多肽亚基ꎮ根据预测ꎬａｍｏＡ和ａｍｏＣ被认为是内膜蛋白ꎬ而周质ａｍｏＢ可能包含一个铜催化的活性位点ꎬ因此ꎬ铜被认为在氨氧化中发挥重要的作用[７]ꎮ第二步ꎬ羟胺通过羟胺氧化还原酶(ＨＡＯ)酶转化为亚硝酸盐(ＮＯ－２)ꎬ在ＡＯＢ中ꎬＨＡＯ酶中的活性位点是铁血红素Ｐ４６０ꎬ因此不易受到Ｃｕ螯合剂的抑制ꎮ在ＡＯＡ中没有发现ＨＡＯ的同源蛋白ꎬ因此ＡＯＡ的氨氧化途径还不太清楚[８]ꎮ第三步ꎬ亚硝酸盐(ＮＯ－２)转化成硝酸盐(ＮＯ－３)ꎬ该过程由亚硝酸盐氧化细菌㊁光能利用菌㊁厌氧氨氧化细菌中的亚硝酸盐氧化还原酶(ＮＸＲ)催化完成[９]ꎮ１.３㊀反硝化作用反硝化作用(ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ)是微生物在缺氧条件下ꎬ还原硝酸盐ꎬ释放出分子态氮(Ｎ２)或氮氧化合物(ＮＯ㊁Ｎ２Ｏ)的过程ꎮ主要的反硝化过程由４种主要酶催化ꎬ分别是硝酸盐还原酶(ＮＡＲ)或周质硝酸盐还原酶(ＮＡＰ)㊁亚硝酸盐还原酶(ＮＩＲ)㊁一氧化氮还原酶(ＮＯＲ)和氧化亚氮还原酶(ＮＯＳ)ꎮ在第一步中ꎬＮＡＲ或ＮＡＰ是钼酶ꎬ分别由ｎａｒ和ｎａｐ基因编码ꎬ将硝酸盐还原为亚硝酸盐[１０]ꎮ在第二步中ꎬ厌氧细菌通过硝酸盐还原酶(ＮＩＲ)将ＮＯ－２在缺氧条件下转化为ＮＯꎮ它是反硝化作用的标志性反应ꎬ也是最重要的限速步骤ꎮＮＩＲ基因包括ＮｉｒＳ和ＮｉｒＫ两种类型ꎬ前者包含由ｎｉｒＳ编码的血红素－细胞色素和血红素ｃｄ１(ｃｄ１￣ＮＩＲ)活性中心位点ꎬ后者包含由ｎｉｒＫ编码包含铜(Ｃｕ￣ＮＩＲ)活性中心位点[１１]ꎮ在第三步中ꎬ细菌㊁古菌和真菌利用一氧化氮还原酶(ＮＯＲ)ꎬ将ＮＯ还原为Ｎ２Ｏꎮ已发现３种类型的ＮＯＲꎬ即细胞色素ｃ依赖型(ｃＮＯＲ)㊁醌依赖的(ｑＮＯＲ)和含铜的ｑＣｕＮＯＲ[１２]ꎮ在反硝化过程的最后一步ꎬＮ２Ｏ通过末端氧化还原酶还原为Ｎ２ꎬ这是由ＮＯＳ完成的ꎮＮＯＳ位于多种变形菌门细菌的周质ꎬ由ｎｏｓ基因簇编码ꎬ其３种转录本分别为ｎｏｓＺ㊁ｎｏｓＲ和ｎｏｓＤＦＹＬ[１３]ꎮ１.４㊀氨化作用氨化作用(ａｍｍｏｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ)又叫脱氨作用ꎬ微生物分解有机含氮化合物产生铵态氮(氨气等)的过程ꎮ土壤中的各种动植物残体和有机肥ꎬ包括堆肥㊁绿肥和厩肥都含有丰富的含氮有机物ꎬ含氮有机物主要为蛋白质㊁多肽㊁核酸㊁肽聚糖㊁几丁质等ꎬ也有少量水溶性有机含氮化合物ꎬ如氨基酸㊁氨基糖和尿素等ꎮ除可溶性氨基酸外ꎬ这些物质都不能被植物直接吸收ꎬ必须经过微生物分解ꎬ将ＮＨ＋４释放出来ꎬ才能供植物利用ꎮ氨化作用是土壤氮素转化的起点ꎬ也是有机氮化合物转化为植物可以直接吸收利用的氮形态的关键一步[１４]ꎬ因此ꎬ氨化作用对于土壤氮素的转化和循环过程意义重大ꎮ很多细菌和真菌具有这一作用ꎬ这些微生物可以分泌蛋白酶㊁脲酶㊁核酸酶㊁角质酶等ꎬ在细胞外将含氮有机物分解为多肽㊁氨基酸和氨等ꎮ土壤中有机态氮矿化分解释放出的氮素被认为是土壤矿质态氮的直接补给源ꎬ土壤氮素的矿化过程对于土壤－植物系统氮素的转化与循环具有关键性的作用[１５]ꎮ１.５㊀同化/异化作用同化/异化作用主要指硝酸盐(ＮＯ－３)经过中间体亚硝酸盐(ＮＯ－２)还原为铵(ＮＨ＋４)的过程[４]ꎮ同化硝酸盐还原产铵作用(ａｓｓｉｍｉｌａｔｏｒｙｎｉｔｒａｔｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｔｏａｍｍｏｎｉｕｍꎬＡＮＲＡ)ꎬ是指ＮＯ－３由同化硝酸盐还原酶(ＮＡＳ)催化生成ＮＯ－２ꎬ再由同化亚硝酸盐还原酶(ｃＮＩＲ)催化还原成ＮＨ＋４ꎬ最后ＮＨ＋４形成生物量氮(如氨基酸或蛋白质)的过程ꎮ异化硝酸盐还原产铵作用(ｄｉｓｓｉｍｉｌａｔｏｒｙｎｉｔｒａｔｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｔｏａｍｍｏｎｉｕｍꎬＤＮＲＡ)ꎬ是指ＮＯ－３由膜结合硝酸盐还原酶(ＮＡＲ)或质周硝酸盐还原酶(ＮＡＰ)催化产生ＮＯ－２ꎬ再由周质细胞色素ｃ亚硝酸盐还原酶(ｃｃＮＩＲ)㊁八面体血红素亚硝酸盐还原酶(ＯＮＲ)或八面体血红素连四硫酸盐还原酶(ＯＴＲ)催化还原成ＮＨ＋４[３ꎬ１６]ꎮＡＮＲＡ与ＤＮＲＡ的区别主要在于:ＡＮＲＡ涉及的ＮＡＳ位于细胞质中ꎬＮＯ－３同化需要通过ＡＴＰ依赖性转运体将ＮＯ－３转运到细胞内ꎬ是耗能过程ꎬＡＮＲＡ产生的ＮＨ＋４全部用于生物量氮的合成ꎬ但ＮＡＳ的表达在富铵的环境(例如施肥的土壤)中受到抑制ꎮ而ＤＮＲＡ是产能过程ꎬ该过程产生的ＮＨ＋４可部分用于生物量氮的合成ꎬ研究表明ꎬＤＮＲＡ可将土壤中３.９％~８４.４％的ＮＯ－３转化为ＮＨ＋４ꎬ对降低Ｎ２Ｏ排放量㊁减少氮肥损失和面源污染具有重要作用[１６￣１７]ꎮ尽管ＮＯ－３ңＮＯ－２ңＮＨ＋４是目前报道最多的ＤＮＲＡ途径ꎬ但是随着研究的不断深入ꎬ一些新的ＤＮＲＡ途径也逐渐被发现ꎬ对这些途径的代谢机制有待进一步阐明[１６]ꎮ２㊀利用微生物对氮损失的调控２.１㊀利用固氮菌增加氮固定、减少氮肥施用生物固氮研究始于１９世纪８０年代ꎬ迄今已有近１４０年的历史ꎮ目前ꎬ固氮菌剂主要应用于替代或补充合成氮肥ꎬ从源头上减少氮损失ꎮ据估计ꎬ农业生态系统中的生物固氮每年约有５０~７０Ｔｇ[１８]ꎬ而每年来自人工合成的总氮量约为２１０Ｔｇ[１９]ꎮ虽然豆科植物与根瘤菌的共生关系历来是大部分生物固氮的来源[１８]ꎬ但近年来人们对利用微生物接种提高非豆科作物固氮水平的兴趣激增ꎮ目前ꎬ已在农业生产上应用的固氮微生物有内共生固氮和根际联合固氮两种ꎮ以内共生固氮菌作为微生物接种剂的重要用途就是在豆科植物栽培中优化根瘤内的固氮作用ꎮ大豆慢生根瘤菌(Ｂｒ.ｊａｐｏｎｉｃｕｍ)是一种受欢迎的大豆生物肥料ꎬ在宿主植物自身没有常驻内共生菌的情况下尤其有效[２０]ꎮ内共生结瘤微生物固氮效率高ꎬ通常每年固氮量为７５~３００ｋｇ/ｈａꎬ可为豆科植物生长提供１００％的氮素来源[２１]ꎮ一些研究表明ꎬＢｒ.ｊａｐｏｎｉｃｕｍ与其他微生物如放线菌[２２]㊁枯草芽孢杆菌(Ｂａ.ｓｕｂｔｉｌｉｓ)㊁苏云金芽孢杆菌(Ｂａ.ｔｈｕｒｉｎｇｉｅｎｓｉｓ)[２３]和巴西固氮螺菌(Ａｚｏｓｐｉｒｉｌｌｕｍｂｒａｓｉｌｅｎｓｅ)[２４]联合施用ꎬ可以增强其固氮作用ꎮ虽然用内共生固氮菌接种豆科植物通常会增加固氮作用ꎬ但有时也会因为与土著根瘤菌群落的竞争以及与宿主的相容性差等原因ꎬ导致施用效果不稳定[１]ꎮ根际联合固氮菌广泛分布于非豆科作物的根际ꎬ能紧密结合作物根表或侵入根内生长和固氮ꎬ近年来被广泛研究用作微生物接种剂以减少玉米㊁小麦和水稻等粮食作物对氮肥的需求ꎬ在节肥增产方面表现出巨大的应用潜力ꎮ例如ꎬ研究发现在玉米[２５￣２６]㊁水稻和小麦根系中接种固氮菌单菌株或复合菌群可以增加固氮[１]ꎮ在玉米中ꎬ施用菌群的固氮作用大约是单株菌的２倍[２６]ꎮ另一方面ꎬ由于根际联合固氮微生物不能形成根瘤等共生结构ꎬ固氮作用受宿主根际胁迫因子如干旱㊁盐碱等影响非常大ꎬ导致固氮效率比较低下ꎬ通常每年固氮量为１~５０ｋｇ/ｈａ[２１]ꎮ固氮菌葡萄糖醋杆菌(Ｇｌｕｃｏｎａｃｅｔｏｂａｃｔｅｒｄｉａｚｏｔｒｏｐｈｉｃｕｓ)在市场推广后ꎬ在稻米中施用推荐氮肥用量的５０％ꎬ产量反而提高了２９％[２７]ꎮ为了能够推动固氮菌剂在农业中大规模应用ꎬ固氮菌必须能够在田间环境中生存ꎬ并保持较高水平的固氮以及与作物的互利共栖关系ꎮ生物固氮作用在代谢上是一个高度耗能的还原过程ꎬ固氮酶对氧气高度敏感ꎬ遇氧会不可逆地失活ꎬ而且固氮产物ＮＨ＋４会对固氮基因的表达产生反馈抑制ꎬ在田间施肥条件下ꎬ高浓度的ＮＨ＋４会抑制固氮作用ꎮ目前ꎬ提高根际联合固氮效率㊁扩大根瘤菌寄主范围㊁提高固氮酶对ＮＨ＋４的耐受性等目标已成为生物固氮研究的前沿领域和优先发展方向[２１ꎬ２８]ꎮ近期研究还关注了丛枝菌根真菌(ａｒｂｕｓｃｕｌａｒｍｙｃｏｒｒｈｉｚａｌｆｕｎｇｉꎬＡＭＦ)通过对固氮菌的空间迁移ꎬ加强了植物与固氮菌等益生菌之间的关联性ꎮ例如ꎬ固氮根瘤菌Ｂｒ.ｄｉａｚｏｅｆｆｉｃｉｅｎｓＵＳＤＡ１１０可通过ＡＭＦ真菌Ｇｌｏｍｕｓｆｏｒｍｏｓａｎｕｍ产生的外生菌丝网(ＥＲＭ)将根瘤菌迁移至根系定植并产生根瘤[２９]ꎮ２.２㊀减少氧化亚氮的释放氧化亚氮(Ｎ２Ｏ)是一种强效温室气体ꎬ是臭氧层消耗的主要原因之一ꎬ在大气中的寿命为１１４年ꎮ虽然Ｎ２Ｏ仅占温室气体排放总量的０.０３％左右ꎬ但根据其辐射能力ꎬ其造成全球变暖的潜力估计是ＣＯ２的３００倍ꎮ目前认为ꎬ人类活动每年排放Ｎ２Ｏ的总量为６.７Ｔｇ(以Ｎ计)ꎬ主要来源是农业生产ꎬ约占Ｎ２Ｏ排放总量的６０％ꎮ随着农业的不断扩大和集约化ꎬ这一比例可能会增加[３０]ꎮ产生Ｎ２Ｏ的微生物过程有多条途径ꎬ不同过程对Ｎ２Ｏ净排放的相对贡献受微生物群落和环境条件的影响[２９]ꎮ在农田土壤中ꎬＮ２Ｏ主要通过两种途径产生:作为铵的不完全氧化(硝化菌反硝化)和亚硝酸盐的不完全还原(反硝化)的副产物ꎮ此外ꎬ生物与非生物耦合的化学反硝化过程也会产生Ｎ２Ｏ排放[１ꎬ３１]ꎮ针对Ｎ２Ｏ产生途径ꎬ可以采取不同的策略来调控Ｎ２Ｏ排放ꎮ在硝化菌反硝化产生Ｎ２Ｏ的过程中ꎬ微生物群落构成起着核心作用ꎮ每摩尔铵通过氨氧化古菌(ＡＯＡ)产生的Ｎ２Ｏ少于氨氧化细菌(ＡＯＢ)[３２]ꎬ因此ꎬＡＯＢ对ＡＯＡ的平衡在富铵的肥沃土壤中具有重要意义ꎮ随着土壤铵含量的升高ꎬＡＯＢ会增加Ｎ２Ｏ产量[３０]ꎬ而通常ＡＯＡ只能在低铵条件下通过非生物反应产生Ｎ２Ｏ[３３]ꎮ因此ꎬ研究者提出通过利用靶向ＡＯＢ的硝化抑制剂３ꎬ４￣二甲基吡唑磷酸(ＤＭＰＰ)选择性抑制ＡＯＢꎬ增加ＡＯＡ对ＡＯＢ的相对丰度ꎬ来减少Ｎ２Ｏ的产生[３４]ꎮ此外ꎬ植物促生菌剂能改变ＡＯＡ与ＡＯＢ菌群丰度比值ꎬ例如ꎬ向盆栽油菜土壤接种解淀粉芽孢杆菌(Ｂａ.ａｍｙｌｏｌｉｑｕｅｆａｃｉｅｎｓ)可提高二者菌群丰度比值ꎬ与对照相比ꎬ使Ｎ２Ｏ净排放量降低５０％[３５]ꎮ虽然反硝化微生物可以产生Ｎ２Ｏꎬ但表达Ｎ２Ｏ还原酶(由ｎｏｓＺ编码)的微生物可以将Ｎ２Ｏ还原为Ｎ２ꎬ形成Ｎ２Ｏ的汇ꎮ因此ꎬ减少Ｎ２Ｏ排放的另一个策略是增加Ｎ２Ｏ还原菌的丰度ꎮ一般在大豆中施用Ｂｒ.ｊａｐｏｎｉｃｕｍ是为了增强固氮作用ꎬ然而ꎬ一些根瘤菌菌株也具有反硝化能力ꎬ当Ｎ２Ｏ和ＮＯ－３同时存在时ꎬ那些表达Ｎ２Ｏ还原酶的Ｂｒ.ｊａｐｏｎｉｃｕｍ菌株优先还原Ｎ２Ｏ[３６]ꎮ在田间试验中ꎬ添加具有ｎｏｓＺ基因的Ｂｒ.ｊａｐｏｎｉｃｕｍ菌株降低了大豆田收获后Ｎ２Ｏ的排放[３７]ꎮ这些特性可能使具有ｎｏｓＺ基因的根瘤菌成为大豆栽培的理想接种剂ꎬ因为这些菌株既能固定氮又能减少Ｎ２Ｏ的排放ꎮ此外ꎬ许多微生物接种剂不具有ｎｏｓＺ基因ꎬ但有些菌剂可以促进土壤微生物群落的变化ꎬ从而间接改变ｎｏｓＺ的相对丰度和Ｎ２Ｏ产量ꎮ如绿色木霉(Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａｖｉｒｉｄｅ)应用于空心菜(Ｉｐｏｍｏｅａａｑｕａｔｉｃａ)ꎬ改变了微生物群落结构ꎬ导致ｎｉｒＫ㊁ｎｉｒＳ和ｎｏｓＺ的相对丰度增加ꎬＮ２Ｏ产量显著降低[３８]ꎮ同样ꎬ解淀粉芽孢杆菌(Ｂａ.ａｍｙｌｏｌｉｑｕｅｆａｃｉｅｎｓ)的添加增加了土壤群落中ｎｏｓＺ的丰度ꎬ从而Ｎ２Ｏ排放量减少５０％[３５]ꎮ虽然利用微生物减少农业土壤Ｎ２Ｏ排放取得了一定的进展ꎬ但是由于产生Ｎ２Ｏ的生物和非生物网络非常复杂ꎬ而目前对微生物发挥功能的微生态机制了解十分有限ꎬ导致利用微生物控制Ｎ２Ｏ排放的技术还不成熟ꎬ相关的研究还需要加强ꎬ例如ꎬ研究发现许多在实验室中具有较高Ｎ２Ｏ还原活性的菌株在田间条件下不能减少农田土壤的Ｎ２Ｏ排放[３９]ꎮ２.３㊀控制硝酸盐的淋失在氮肥使用中被植物根系高效吸收的两种主要Ｎ形态是铵离子(ＮＨ＋４)和硝酸盐(ＮＯ－３)ꎮＮＨ＋４可直接用于合成谷氨酰胺ꎬ随后还可以合成其他氨基酸ꎮ而ＮＯ－３则需要通过同化作用转化为ＮＨ＋４后才能被利用ꎮ因此ꎬＮＨ＋４更为高效ꎬ可提高叶绿素㊁淀粉㊁单糖和氨基酸等重要作物参数的含量ꎮ此外ꎬＮＨ＋４还能促进根系分枝ꎬ增加养分吸收的表面积ꎮ而ＮＯ－３能刺激侧根伸长ꎬ以寻找更多养分ꎬ并对不同的信号传导途径产生更直接的影响ꎮ因此ꎬ使用两种氮形态的混合物有助于植物生长ꎮ在土壤中ꎬＮＯ－３不易附着于带负电的土壤颗粒上ꎬ很容易从土壤中淋出ꎬ进入水生生态系统ꎬ导致水体富营养化和藻类大量繁殖ꎮ因此ꎬ在田间ＮＨ＋４是更为高效的氮形态ꎬ但部分ＮＨ＋４会被氨氧化去除ꎬ转化为较不理想的ＮＯ－３[８]ꎮ如前所述ꎬ硝化作用在ＮＨ＋４转化为ＮＯ－３的过程中发挥着重要作用ꎬ氨氧化过程是硝化作用中的第一步和速率限制步骤[８]ꎬ该过程由氨单加氧酶(ＡＭＯ)催化ꎮ为减少氮损失和提高肥效ꎬ研究者根据ＡＭＯ的特点研发了硝化抑制剂ꎮ常见的硝化抑制剂有双氰胺(ＤＣＤ)㊁３ꎬ４￣二甲基吡唑磷酸(ＤＭＰＰ)㊁硝基吡啶等ꎬ这些抑制剂主要通过与ＡＭＯ竞争性结合㊁螯合ＡＭＯ催化位点中的Ｃｕ等方式发挥作用ꎮ使用硝化抑制剂已成为减少土壤ＮＯ－３淋失的重要措施之一ꎬ大样本分析数据表明ꎬ硝化抑制剂平均可显著减少４７％的ＮＯ－３淋失量[４０￣４１]ꎮＣｕｉ等[４２]在集约化菜田土壤中施用ＤＣＤꎬ发现施用ＤＣＤ后黄棕壤和潮土的ＮＯ－３淋失量分别减少了５８.５％和３６.２％ꎮ使用硝化抑制剂或尿素酶抑制剂可以有效延缓氨氧化和尿素水解的速率ꎬ从而减少氮肥的流失和挥发ꎮ这有助于提高土壤中氮素的利用效率ꎬ同时减少对环境的负面影响ꎮ另外ꎬ应用土壤改良剂如生物炭和石灰可以改善土壤结构和ｐＨꎬ促进微生物对氮的固定ꎬ增加土壤中氮的含量ꎬ有利于作物的吸收利用ꎮ精准农业管理则通过合理控制施肥的量㊁质㊁时㊁地ꎬ实现氮素供应和作物需求的同步ꎬ最大限度地提高氮肥利用效率ꎬ降低氮肥的浪费ꎮ故而在未来应用硝化抑制剂时ꎬ应考虑将其与土壤特性和主要硝化物相匹配ꎬ以增加土壤中氮的保持能力ꎬ减少氮的损失ꎮ这样可以有效提高作物的产量和氮素利用效率ꎬ同时实现农业生产的可持续发展ꎮ虽然抑制微生物氨氧化以减少Ｎ２Ｏ排放的研究已有较多报道ꎬ但微生物菌剂对ＮＯ－３淋失的影响却很少受到关注ꎮ在少数以改变硝化作用为目的的研究中ꎬ接种微生物增加了硝化作用ꎮ例如ꎬＡｎａｂａｅｎａｔｏｒｕｌｏｓａ㊁Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒｓｐｐ.和Ｔ.ｖｉｒｔｕｏｓａ菌剂的不同组合提高了菊花根际的潜在硝化速率[４３]ꎬ接种真菌菌群的盆栽玉米的土壤和渗滤液中ＮＯ－３水平也显著升高[４４]ꎬ这些菌剂的效果高度依赖于土壤和作物品种类型ꎮ同一属的微生物对硝化过程可能产生不同的影响ꎬ例如ꎬ施用枯草芽孢杆菌确实达到了减少氨挥发和氮损失的目标效果ꎬ但它也增加了细菌ａｍｏＡ基因的相对丰度ꎬ以及硝化菌群的丰度[４５]ꎮ施用解淀粉芽孢杆菌可降低土壤硝酸盐浓度[３５]ꎬ含有Ｔ.ｖｉｒｔｕｏｓａ的菌群增加了潜在的硝化速率[４３]ꎬ但与单独施肥相比ꎬ同时施用Ｔ.ｖｉｒｉｄｅ和尿素的土壤硝酸盐水平较低[３８]ꎮ减少ＮＯ－３淋失可以采取的另一种途径是异化硝酸盐还原成铵(ＤＮＲＡ)ꎬ该过程可将ＮＯ－３和ＮＯ－２还原为ＮＨ＋４ꎬ允许在土壤生态系统中保留氮ꎮ研究表明ꎬＤＮＲＡ具有节能环保㊁降低Ｎ２Ｏ排放㊁节肥增效以及减少ＮＯ－３和ＮＯ－２污染的优点ꎬ因此越来越受到关注[１６]ꎮＤＮＲＡ在土壤氮素循环中发挥着重要作用ꎬ如Ｐａｎ等[４６]考察了干旱农田根际土壤和非根际土壤中硝态氮的异化还原过程ꎬ发现ＤＮＲＡ比反硝化过程起主导作用ꎮ尽管已发现了许多种具有ＤＮＲＡ功能的微生物ꎬ但是鲜有利用纯培养的ＤＮＲＡ微生物控制农田土壤ＮＯ－３淋失的报道ꎮ目前研究关注较多的是土壤性质㊁气候因素等环境条件对土壤ＤＮＲＡ的影响ꎬ但环境因子对ＤＮＲＡ速率的影响随生态系统的不同表现出较大差异ꎮ例如亚热带生态系统中ꎬ旱耕地㊁林地㊁水田和湿地生态系统中的ＤＮＲＡ速率不同ꎬ从大到小依次排序为湿地㊁旱耕地㊁水田㊁林地[１６￣１７]ꎮ另外研究发现ꎬ大约４０％的ＤＮＲＡ微生物携带至少一个反硝化基因ꎬ并且显示出较高的Ｎ２Ｏ生产潜力ꎬ证明ＤＮＲＡ微生物在氮循环中的多重作用[４７]ꎮ２.４㊀控制氨挥发农田氨挥发是土壤氮素循环中氮损失的主要途径之一ꎬ我国农田氮肥损失中氨挥发约占１１％ꎬ而在有利于氨挥发的条件下ꎬ氮肥的氨挥发损失率可高达４０％~５０％[４８]ꎮ农田土壤氨的产生主要来源于尿素水解和硝酸盐异化还原成铵的这两种过程[４９]ꎮ尿素是目前使用最多的氮肥ꎬ占我国氮肥总量的６０％ꎮ尿素造成的氨挥发占氮肥施用氨挥发总量的７５％ꎮ尿素施入土壤后ꎬ被微生物等来源的土壤脲酶催化分解产生ＣＯ２和ＮＨ＋４ꎬＮＨ＋４和ＯＨ－反应产生氨气[４９]ꎮ土壤脲酶是一类含镍的酰胺键水解酶ꎬ其活性位点包含由氨基甲酸酯桥连在一起的两个镍原子ꎮ根据脲酶的特点ꎬ人们研发了脲酶抑制剂以抑制土壤脲酶活性ꎬ从而减缓尿素向ＮＨ＋４的转化ꎮ按照作用方式ꎬ脲酶抑制剂的种类主要包括３种:(１)与脲酶的巯基基团反应的化合物ꎬ如氢醌㊁对苯醌等ꎻ(２)络合脲酶活性中心的镍原子ꎬ如乙酰羟肟酸㊁乙酰氧肟酸等ꎻ(３)与脲酶活性位点结合的竞争性抑制剂ꎬ如Ｎ￣丁基硫代磷酰三胺(ＮＢＰＴ)等[３９]ꎮＳｉｌｖａ等[５０]通过Ｍｅｔａ分析发现ꎬ单独施用尿素和ＮＢＰＴ＋尿素处理的累积ＮＨ３挥发损失量分别为施氮量的３１.０％和１４.８％ꎬ使用脲酶抑制剂可使尿素的ＮＨ３损失量减少５２％ꎮ徐丽萍等[５１]研究了ＮＢＰＴ与尿素硝酸铵溶液(ＵＡＮ)配施对灰漠土㊁潮土和红壤上氮素转化和氨挥发的影响ꎬ发现ＮＢＰＴ降低了３种类型土壤上施ＵＡＮ氮溶液后的氨挥发速率㊁氨挥发累积量和氨挥发总量ꎬ使氨挥发总量降低了１４.８９％~２１.２０％ꎮＤＮＲＡ是农田土壤中另外一个重要的氮来源ꎮ如前所述ꎬ增强ＤＮＲＡ作用是减少硝酸盐淋失和氧化亚氮排放的重要途径ꎬ但是从理论上讲ꎬＤＮＲＡ作用会提高ＮＨ＋４浓度ꎬ增加氨挥发ꎮ如研究发现ꎬ在温度高㊁电子供体充足和可利用ＮＯ－３浓度低的农田环境中ꎬＤＮＲＡ作用比反硝化作用更占主导地位ꎬ氨挥发损失更严重[４９]ꎮ因此需要根据氮损失的实际情况制订调控策略ꎬ如果氨挥发是氮损失的首要途径ꎬ可以通过提高硝化微生物的丰度增强硝化作用ꎬ将ＮＨ＋４转化为ＮＯ－３ꎬ减少土壤氨挥发ꎮ土壤ｐＨ是控制氨挥发的主导因素ꎬ碱性土壤更容易造成氨挥发ꎮ许多根际促生菌剂能够降低氨挥发峰值期间的土壤ｐＨꎬ从而减少氨气挥发ꎮ如在我国北方氨挥发较严重的碱性土壤上ꎬ研究绿色木霉㊁解淀粉芽孢杆菌和多黏类芽孢杆菌对土壤氨挥发的影响ꎬ结果表明ꎬ与单施尿素相比ꎬ所有供试的微生物菌剂处理均能减少土壤氨挥发ꎬ其中绿色木霉的控氨效果最好ꎬ氨挥发量比对照降低了４２.２１％ꎬ解淀粉芽孢杆菌和多黏类芽孢杆菌分别降低了２０.２８％和１３.８１％[５２]ꎮ然而ꎬ也有研究发现施用生物菌剂虽然能够提高作物产量ꎬ但是同时增加了氨气排放量[５３]ꎮ３㊀结论与展望长期不合理施用氮肥会导致资源浪费㊁经济损失以及对环境健康的威胁ꎬ包括空气污染㊁温室效应和水体富营养化等问题ꎮ微生物在农田土壤氮素循环中发挥着重要的作用ꎬ利用微生物调控氮素转化过程可以达到节约资源㊁减少环境污染的目的ꎮ微生物参与氮循环主要包括固氮作用㊁硝化作用㊁反硝化作用㊁氨化作用以及同化/异化作用等多个关键过程ꎬ这些过程包括大气中氮气的固定㊁氨的转化㊁硝酸盐的还原和氨的释放等ꎮ利用微生物对氮损失的调控是农业生产中的重要策略ꎬ通过接种内共生固氮菌和根际联合固氮菌等措施ꎬ可以增强固氮作用ꎬ并减少氮肥施用量ꎻ采用调控微生物群落结构和增加Ｎ２Ｏ还原菌的丰度等策略可以降低Ｎ２Ｏ的排放ꎻ使用硝化抑制剂和提高ＤＮＲＡ作用等途径可以减少硝酸盐的淋失ꎻ使用脲酶抑制剂和根际促生菌剂可以降低氨挥发ꎮ未来的研究需从以下几个方面进行理论技术及应用方面的探索:(１)深入了解微生物在氮素循环中的作用和机制ꎬ包括微生物种类㊁活性和相互作用ꎻ(２)从植物－微生物组互作角度ꎬ研究根系分泌物通过调节微生物群落结构和功能ꎬ从而影响氮的转化过程和作物对氮吸收的机制ꎮ(３)评估微生物应用的适用性ꎬ研究不同土壤类型㊁气候条件和作物种类对氮素调控微生物的适应性ꎬ以及微生物应用的效果变异性ꎻ(４)发展精准的土壤和微生物检测技术ꎬ采用更精准的技术来选择和评估特定菌种的效率和持久性ꎻ(５)长期监控和评估ꎬ在不同时间空间尺度上持续监控和评价微生物管理措施对土壤生态平衡㊁氮迁移转化以及氮污染的影响ꎻ(６)综合农田管理ꎬ将微生物管理措施与土壤管理㊁作物管理和水资源管理等其他农田管理方面结合起来ꎬ形成协同效应ꎬ优化氮循环ꎬ支持农业的可持续发展ꎮ。
反硝化菌功能基因及其分子生态学研究进展
反硝化菌功能基因及其分子生态学研究进展一、本文概述随着环境科学研究的深入发展，微生物在生态系统中扮演的角色越来越受到人们的重视。
作为生态系统中的关键组成部分，反硝化菌在氮循环中发挥着重要作用，能够将硝酸盐还原为氮气，从而防止了硝酸盐的积累和氮的过度矿化。
近年来，随着分子生物学和基因测序技术的飞速发展，反硝化菌的功能基因及其分子生态学成为了研究热点。
本文旨在综述反硝化菌功能基因的研究进展，探讨其在生态系统中的作用，以及反硝化菌分子生态学研究的最新成果，以期为进一步揭示反硝化菌在环境科学中的重要性提供理论支持。
二、反硝化菌功能基因概述反硝化作用是生物地球化学循环中的关键过程，通过反硝化菌的作用，将硝酸盐（NO₃⁻）和亚硝酸盐（NO₂⁻）还原为氮气（N₂）或一氧化二氮（N₂O），从而完成氮的生物循环。
在这一复杂的过程中，反硝化菌利用一系列功能基因编码的酶来催化反应的进行。
反硝化过程通常分为四个连续步骤：硝酸盐还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐还原为一氧化氮，一氧化氮还原为一氧化二氮，最终一氧化二氮还原为氮气。
这些步骤分别由硝酸还原酶（Nar/Nap）、亚硝酸还原酶（Nir）、一氧化氮还原酶（Nor）和氧化亚氮还原酶（Nos）催化。
这些酶对应的编码基因即为反硝化菌的功能基因，它们在基因组中的存在与表达水平直接影响了反硝化作用的效率。
随着分子生物学技术的发展，反硝化菌功能基因的研究已经从最初的单一基因克隆和表达分析，发展到了全基因组测序和转录组学分析。
通过这些技术手段，我们可以更深入地了解反硝化菌的遗传多样性和生态适应性，进而探讨其在不同环境条件下的反硝化作用机制和调控机制。
在生态学研究方面，反硝化菌功能基因的多样性和丰度已经成为评估环境氮循环状态的重要指标。
通过定量PCR、宏基因组测序等技术手段，可以实时监测环境样品中反硝化菌功能基因的拷贝数和表达水平，从而评估反硝化作用的潜力和速率。
结合生物信息学分析，还可以进一步揭示反硝化菌在环境生态系统中的分布格局和群落结构，为生态环境保护和农业可持续发展提供科学依据。
脲酶抑制剂与硝化抑制剂对稻田土壤硝化、反硝化功能菌的影响
脲酶抑制剂与硝化抑制剂对稻田土壤硝化、反硝化功能菌的影响ZHANG Wen-xue;WANG Shao-xian;XIA Wen-jian;SUN Gang;LIU Zeng-bing;LI Zu-zhang;LIU Guang-rong【摘要】[目的]在农业生产中,脲酶抑制剂(urease inhibitor,UI)与硝化抑制剂(nitrification inhibitor,NI)常作为氮肥增效剂来提高肥料利用率.本文研究了在我国南方红壤稻田施用脲酶抑制剂与硝化抑制剂后,土壤中氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria,AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea,AOA)以及反硝化细菌的丰度以及群落结构的变化特征,旨在揭示抑制剂的作用机理及其对土壤环境的影响.[方法]试验在我国南方红壤稻田进行,共设5个处理:1)不施氮肥(CK);2)尿素(U);3)尿素+脲酶抑制剂(U+UI);4)尿素+硝化抑制剂(U+NI);5)尿素+脲酶抑制剂+硝化抑制剂(U+UI+NI),3次重复.脲酶抑制剂与硝化抑制剂分别为NBPT[N-(n-butyl)thiophosphrictriamide,N-丁基硫代磷酰三胺]和DMPP(3,4-dimethylpyrazole phosphate,3,4-二甲基吡唑磷酸盐).通过荧光定量PCR(Real-time PCR)研究水稻分蘖期与孕穗期抑制剂对三类微生物标记基因拷贝数的影响,并分析土壤铵态氮、硝态氮与三种菌群丰度的相关性;利用变性梯度凝胶电泳(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis,DGGE)分析抑制剂对土壤AOB、AOA以及反硝化细菌群落结构的影响,并对优势菌群进行系统发育分析.[结果]1)荧光定量PCR结果表明,施用氮肥对两个时期土壤中AOB的amoA基因与反硝化细菌nirK基因的拷贝数均有显著提高,而对AOA的amoA基因始终没有明显影响;AOB与nirK反硝化细菌的丰度与两个时期的铵态氮含量、分蘖期的硝态氮含量呈极显著正相关,与孕穗期的硝态氮含量相关性不显著;DMPP仅在分蘖期显著减少了AOB的amoA基因拷贝数,表明DMPP主要通过限制AOB的生长来抑制稻田土壤硝化过程;NBPT对三类微生物的丰度无明显影响;2)DGGE图谱表明,在分蘖期与孕穗期,施用氮肥均明显增加了图谱中AOB的条带数,而对AOA却没有明显影响;氮肥明显增加了孕穗期反硝化细菌的条带数;与氮肥的影响相比,抑制剂NBPT与DMPP对AOA、AOB以及反硝化菌的群落结构影响甚微;系统发育分析结果表明,与土壤中AOB的优势菌群序列较为接近的有亚硝化单胞菌和亚硝化螺菌.[结论]在南方红壤稻田中,施入氮肥可显著提高AOB与反硝化细菌的丰度,明显影响两种菌群的群落结构,而AOA较为稳定;NBPT对三类微生物的群落结构丰度无明显影响;硝化抑制剂DMPP可抑制AOB的生长但仅表现在分蘖期,这可能是其缓解硝化反应的主要途径;这也说明二者对土壤生态环境均安全可靠.【期刊名称】《植物营养与肥料学报》【年(卷),期】2019(025)006【总页数】13页(P897-909)【关键词】抑制剂;稻田;氨氧化细菌;氨氧化古菌;反硝化细菌【作者】ZHANG Wen-xue;WANG Shao-xian;XIA Wen-jian;SUN Gang;LIU Zeng-bing;LI Zu-zhang;LIU Guang-rong【作者单位】;;;;;;【正文语种】中文尿素是一种高浓度的酰胺态氮肥，因其较高的含氮量被作为农业生产上最常用的氮肥，但是尿素施入农田后会导致氮素损失是一直被关注的。
全程氨氧化菌的发现及其进展研究
全程氨氧化菌的发现及其进展研究1. 引言1.1 全程氨氧化菌的发现及其进展研究背景全程氨氧化菌是一类能够利用氨氮酸氧化为硝态氮的微生物，最早被发现于20世纪80年代。
早期的研究表明，全程氨氧化菌在氮循环中扮演着重要的角色，能够促进氨氮的转化，并影响环境中的氮素平衡。
随着科学技术的发展，人们对全程氨氧化菌的研究逐渐深入，发现了不同类型的全程氨氧化菌，揭示了其生态功能和代谢途径等方面的特点。
全程氨氧化菌的研究引起了科学界的广泛关注，其对环境氮循环和生态系统稳定性的影响备受关注。
全程氨氧化菌在环境修复、农业生产、水质处理等领域中的潜在应用也引起了人们的兴趣。
通过对全程氨氧化菌的深入研究，可以更好地认识这一类微生物的生态学特征和生物学功能，为环境保护和微生物技术应用提供科学依据。
1.2 全程氨氧化菌的研究意义全程氨氧化菌是一类微生物，具有重要的研究意义。
全程氨氧化菌在氮循环中扮演着重要角色。
它们可以将氨氧化为硝酸盐，从而参与到氮素的转化过程中。
氮素是生物体生长发育不可或缺的元素，而全程氨氧化菌的存在和活动直接影响着氮素的有效利用和循环。
全程氨氧化菌在环境修复中也具有重要意义。
一些全程氨氧化菌能够降解有机废物，清除环境中的有毒物质，帮助恢复受污染的土壤和水体。
这对于改善环境质量、保护生物多样性具有重要意义。
全程氨氧化菌还具有潜在的应用价值。
它们可以被应用于废水处理、土壤改良、生物肥料的制备等领域。
通过利用全程氨氧化菌的代谢功能，可以实现资源的高效利用和环境的健康保护。
全程氨氧化菌的研究意义不仅体现在对氮循环、环境修复等方面的重要作用，还体现在其潜在的应用价值。
深入研究全程氨氧化菌，对于推动环境保护、资源利用和微生物技术的发展具有重要意义。
2. 正文2.1 全程氨氧化菌的分类与特征全程氨氧化菌是一类广泛存在于自然界中的微生物，其在氮循环中起着重要作用。
根据分类学的特征，全程氨氧化菌主要包括广义氨氧化菌（AOB）和细胞质膜蛋白氨氧化菌（comammox）。
土壤反硝化的分子生态学研究进展及其影响因素
土壤反硝化的分子生态学研究进展及其影响因素王海涛;郑天凌;杨小茹【期刊名称】《农业环境科学学报》【年(卷),期】2013(32)10【摘要】反硝化作用是在微生物参与下的土壤氮循环中的一个重要过程,反硝化作用强弱直接影响着氮素的利用.反硝化微生物是一大生理类群,广泛分布于细菌、真菌和古菌中,经典的16S rRNA方法不适合反硝化细菌的生态学研究.利用功能基因,结合现代分子生物学技术,已成为反硝化研究的常用方法.主要介绍了变性梯度凝胶电泳、末端标记限制性片段长度多态性技术、实时荧光定量PCR、反转录PCR以及最近发展起来的高通量测序技术和功能单细胞分离技术在反硝化生态研究中的应用,并综述了土壤反硝化作用的研究进展及其影响因素,对反硝化未来的研究技术和方向进行了展望.【总页数】10页(P1915-1924)【作者】王海涛;郑天凌;杨小茹【作者单位】中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室厦门361021;厦门大学生命科学学院滨海湿地生态系统教育部重点实验室厦门361102;厦门大学生命科学学院滨海湿地生态系统教育部重点实验室厦门361102;中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室厦门361021【正文语种】中文【中图分类】S154.36【相关文献】1.旱地土壤硝化-反硝化过程和呼吸作用测定方法研究进展 [J], 卜东升;张翠丽;郑德明2.短程硝化反硝化影响因素研究进展 [J], 李帅;徐金有;林仙键;谢满帅;张传义3.反硝化微生物分子生态学技术及相关研究进展 [J], 孙建光;高俊莲;马晓彤;徐晶;姜瑞波4.土壤硝化和反硝化作用及影响因素研究进展 [J], 刘义;陈劲松;刘庆;陈林武5.硝化细菌分子生态学研究进展 [J], 马英;钱鲁闽;王永胜;吴成业因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响
减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响【摘要】本研究旨在探讨减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响，通过实验设计和结果分析发现，减施化肥可以显著提高土壤中nirK型反硝化菌的丰度。
机理上，推测减施化肥减少了土壤中的氮素积累，从而刺激了反硝化菌的活性。
通过数据统计和相关研究对比分析，进一步确认了这一影响。
本研究的主要结论是减施化肥可以改善水稻土壤中nirK型反硝化菌的丰度，同时对未来研究和农业生产提供了一定的启示，有望在土壤生态系统研究和可持续农业生产中有重要意义。
【关键词】减施化肥、水稻、土壤、nirK型反硝化菌、丰度、影响、实验设计、结果分析、机理探讨、数据统计、图表展示、对比分析、主要结论、研究展望、农业生产、启示。
1. 引言1.1 背景介绍水稻是世界上最重要的粮食作物之一，在中国更是占据着重要地位。
随着农业生产的发展和人口的增长，农业化肥的使用量不断增加，导致土壤中化肥残留物质的积累，不仅对农作物生长产生负面影响，还可能对土壤微生物群落造成破坏。
反硝化是土壤中氮素循环的重要过程之一，nirK型反硝化菌在此过程中起着至关重要的作用。
减施化肥对水稻土壤中nirK型反硝化菌丰度的影响还未被充分研究。
本研究旨在探讨减施化肥对水稻土壤中nirK型反硝化菌丰度的影响，为农业生产提供科学依据和技术支持。
通过对减施化肥对水稻土壤中nirK型反硝化菌丰度的影响进行研究，不仅可以揭示化肥对土壤微生物群落的影响机制，还可以为实现可持续农业生产提供重要参考。
本研究具有重要的理论和实践意义。
1.2 研究目的本研究旨在探讨减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响。
通过实验设计和数据分析，我们希望能够揭示减施化肥是否会对水稻土壤中nirK型反硝化菌的数量和活性产生影响，从而进一步了解化肥施用对土壤微生物群落结构和功能的影响。
在当前环境保护和可持续农业发展的背景下，对减施化肥策略的研究变得尤为重要。
《2024年nirS型反硝化细菌的系统进化以及在珠江口的生态分布特征》范文
《nirS型反硝化细菌的系统进化以及在珠江口的生态分布特征》篇一NirS型反硝化细菌的系统进化及其在珠江口的生态分布特征一、引言随着环境污染和全球气候变化的加剧，微生物在生态系统中扮演着越来越重要的角色。
NirS型反硝化细菌作为一类重要的微生物，其系统进化及其在珠江口的生态分布特征对于理解微生物生态学和环境保护具有重要意义。
本文旨在探讨nirS型反硝化细菌的系统进化关系及其在珠江口的生态分布特征，以期为相关研究提供参考。
二、NirS型反硝化细菌的系统进化1. 定义与功能NirS型反硝化细菌是一类具有反硝化功能的微生物，能够将亚硝酸盐还原为一氧化氮。
其系统进化主要涉及细菌的遗传信息、基因组结构以及物种间的亲缘关系等方面。
2. 分类与分布NirS型反硝化细菌广泛分布于各种生态环境中，包括土壤、水体、沉积物等。
根据其遗传信息和基因组结构，NirS型反硝化细菌可被分为不同的种类和亚种。
3. 进化机制NirS型反硝化细菌的进化机制主要涉及基因突变、水平基因转移、自然选择等过程。
在漫长的进化过程中，NirS型反硝化细菌逐渐适应了不同的生态环境，并形成了独特的生态位。
三、NirS型反硝化细菌在珠江口的生态分布特征1. 珠江口概况珠江口位于中国广东省，是一个重要的河流口和海洋生态系统。
该地区的水文条件、气候条件和生物多样性等因素为NirS型反硝化细菌提供了适宜的生存环境。
2. 分布特点NirS型反硝化细菌在珠江口地区的分布特点受多种因素影响，如水温、盐度、有机物含量等。
在珠江口地区，NirS型反硝化细菌主要分布在近岸海域和河口区域，这些区域具有较高的有机物含量和适宜的水温、盐度等条件。
3. 影响因素影响NirS型反硝化细菌在珠江口地区分布的因素包括人类活动、环境污染、气候变化等。
其中，人类活动对珠江口地区的生态环境产生了深远影响，如过度捕捞、水体污染等，这些因素都可能影响NirS型反硝化细菌的分布和数量。
四、研究方法与结果为了研究NirS型反硝化细菌在珠江口的生态分布特征，我们采用了分子生物学和生态学方法。
农田土壤nirK和nirS型反硝化微生物的研究进展
文章引用: 赵明明, 赵鑫盟, 希尼尼根, 于景丽. 农田土壤 nirK 和 nirS 型反硝化微生物的研究进展[J]. 微生物前沿, 2018, 7(2): 65-72. DOI: 10.12677/amb.2018.72008
赵明明 等
1内蒙古大学生态与环境学院，内蒙古 呼和浩特 2内蒙古农业大学兽医学院，内蒙古 呼和浩特 3内蒙古自治区环境污染控制与废物资源化重点实验室，内蒙古 呼和浩特
Keywords
Agricultural Soils, Nitrogen Fertilizer, Denitrifying Microbes, nirK and nirS Genes, Techniques
农田土壤nirK和nirS型反硝化微生物的 研究进展
赵明明1*，赵鑫盟1*，希尼尼根2#，于景丽1,3#
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1. 引言
1.1. 反硝化作用与反硝化微生物功能基因简介
反硝化作用是微生物在无氧或微氧条件下以 NO3− 或 NO2− 作为电子受体进行呼吸代谢获得能量，同时 将 NO3− 或 NO2− 还原为 N2O 或 N2 的过程。反硝化作用既是土壤氮肥损失的途径之一，也是产生温室气体 N2O 的主要途径。土壤的反硝化作用主要是由土壤微生物引起的，包括异化反硝化细菌、非反硝化发酵 性细菌和真菌、自养型硝化细菌等。反硝化作用是一个由四步反应构成的生物地球化学过程，包括硝酸 盐还原，亚硝酸盐还原，一氧化氮 NO 还原和氧化亚氮还原 N2O。其中，每一步都由相应的酶来催化， 分别为硝酸还原酶(Nitrate reductase, Nar)、亚硝酸还原酶(Nitrite reductase, Nir)、一氧化氮还原酶(Nitric oxide reductase, Nor)和一氧化二氮还原酶(Nitrous oxide reductase, Nos) [1] [2]，如图 1 所示。
反硝化微生物分子生态学技术及相关研究进展
( 中国饮用水硝酸盐含量
NO3
限量标准) , 45% 地下水硝酸盐含量 (
-
) 超过
( 主要发达国家饮用水硝酸盐含量限量
标准 ) , 个别地点硝酸盐含量 ( NO3 ) 超过 500 mg , 地下水 硝酸盐污染将 对上亿人口的 饮用 水质量安全造成威胁。我国农田反硝化脱氮损失严 重, 研究数据表明我国农田化肥氮素通过不同损失 途径进入环境的氮量每年约为 1 300 万 t , 其中进 入地表水 125 万 t, 进入地下水 50 万 t, 硝化和反 硝化损失 850 万 t, 氨挥发损失 275 万 t ( 朱兆良 , 私人通讯) 。这些氮素成为地表水富营养化 , 地下 水硝酸 盐富 集, 以 及大 气 N2 O 的主 要来 源之一 , 已受到世界关注。稻田氮循环研究表明由反硝化微 生物所引起的反硝化作用是土壤、湿地中氮素流失 的主要原因, 以分子态氮气进入大气。 2 研究环境反硝化微生物的分子生态学方法 反硝化微生物是一个生理类群 , 广泛分布于土 壤、淤泥、水体等自然环境。在分类单元上主要分 布 在 Pseudomonaceae 、 Neisseriaceae 、 Nitrobacteraceae 、 Rhodospirillaceae 、 Bacillaceae 、 Cytophagaceae 、 Spirileaceaee 、 Rhizobiaceae 、Halobacteriaceae 等科[ 8] 。 传统理论认为反硝化微生物均为细菌, 在嫌气条件 下进行反硝化作用。 1991 年 Shoun 等发现 Fusarium oxysporum 在厌氧条件下可以把硝酸盐和亚硝 酸盐 还原成 N2O, 从而打破了这一传统观念[ 9] 。后来发 现反硝化过程广泛存在于真菌的半知菌纲、子囊菌 纲和担子菌纲; 很多放线菌 Frankia 属
减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响
减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响引言随着全球人口的不断增长，粮食生产的需求也不断增加。
化肥在农业生产中发挥着重要的作用，但过度使用化肥会对土壤环境造成负面影响。
减少化肥的使用量，改善土壤质量，成为当前农业可持续发展的重要课题。
本文将探讨减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度的影响。
正文nirK型反硝化菌是一类重要的土壤微生物，在土壤氮循环中起着重要的作用。
它们能够将硝酸盐还原成一氧化氮，从而参与土壤中的反硝化作用。
反硝化是土壤中氮素损失的一个重要途径，也是造成水体富营养化的主要原因之一。
了解减施化肥对nirK型反硝化菌丰度的影响，对于降低土壤氮素损失，保护水体生态环境具有重要意义。
许多研究表明，过度使用化肥会导致土壤环境中氮素的积累，从而抑制nirK型反硝化菌的生长和活性。
这是因为化肥中的氮素过量会影响土壤中微生物的生长繁殖，从而降低nirK型反硝化菌的数量。
化肥的使用还会改变土壤的酸碱度和氧化还原状态，进而对nirK 型反硝化菌的生理活性产生影响。
减施化肥并不意味着完全不使用化肥。
适量使用化肥可以提供水稻所需的营养元素，维持作物的正常生长和发育。
一些研究发现，适当的化肥施用可以促进土壤中nirK型反硝化菌的丰度和活性。
这是因为合理的施肥可以提供微生物生长所需的有机物和能量来源，改善土壤的生态环境。
减施化肥对水稻土壤nirK型反硝化菌丰度存在着一定的影响。
过度使用化肥会抑制这类反硝化菌的生长和活性，增加土壤氮素损失的风险。
适当的化肥施用可以促进nirK型反硝化菌的丰度和活性，提高土壤氮素的利用效率。
在农业生产中应合理使用化肥，以实现农业的可持续发展。
《2024年nirS型反硝化细菌的系统进化以及在珠江口的生态分布特征》范文
《nirS型反硝化细菌的系统进化以及在珠江口的生态分布特征》篇一NirS型反硝化细菌的系统进化及其在珠江口的生态分布特征一、引言反硝化细菌在自然界氮循环中扮演着重要角色，其中NirS型反硝化细菌是氮素转化的关键微生物之一。
珠江口地区作为我国重要的经济区域和生态环境敏感区，其水体中反硝化细菌的分布和活动特征对区域生态环境有着重要影响。
本文旨在研究NirS型反硝化细菌的系统进化以及在珠江口的生态分布特征，以期为理解珠江口地区氮循环过程和生态环境保护提供科学依据。
二、NirS型反硝化细菌的系统进化1. 细菌分类与进化树构建NirS型反硝化细菌属于反硝化菌门，是一种能够在厌氧条件下进行反硝化过程的细菌。
其分类地位与进化关系较为复杂，需通过分子生物学手段进行研究。
目前，通过对NirS型反硝化细菌的16S rRNA基因序列进行分析，可以构建其系统进化树，揭示其进化历程和分类地位。
2. 基因组学与功能基因NirS型反硝化细菌的基因组学研究对于理解其生理特性和功能具有重要意义。
通过全基因组测序和功能基因分析，可以揭示其代谢途径、酶的编码基因以及调控机制等关键信息。
这些信息有助于我们更深入地了解NirS型反硝化细菌在氮循环中的角色和功能。
三、NirS型反硝化细菌在珠江口的生态分布特征1. 采样与分离为了研究NirS型反硝化细菌在珠江口的生态分布特征，我们需要在不同地点和时间进行采样。
通过富集培养和分离纯化等手段，获得具有代表性的NirS型反硝化细菌菌株。
这些菌株将用于后续的生态分布研究。
2. 分布规律与影响因素通过对比不同地点和时间的NirS型反硝化细菌菌株的分布情况，我们可以总结出其在珠江口的生态分布规律。
同时，结合环境因素（如温度、盐度、pH值、有机物含量等）的分析，可以揭示影响NirS型反硝化细菌分布的主要因素。
3. 与其他微生物的相互作用NirS型反硝化细菌在珠江口生态系统中并非独立存在，而是与其他微生物存在相互作用。
北京松山林地nirK型反硝化微生物群落立地及林型效应
北京松山林地nirK型反硝化微生物群落立地及林型效应祝琳;聂立水;史策;黄梦遥;牛鑫;张润哲;张兆德;魏一凡;王登芝;杨昊;聂浩亮;王江;薄慧娟【期刊名称】《林业科学》【年(卷),期】2024(60)5【摘要】[目的]探究北京松山林地土壤nirK型反硝化微生物群落特征及影响因子,为华北暖温带森林土壤生态系统氮循环过程和环境变化提供依据。
[方法]在北京松山国家级自然保护区选择油松林、山杨林、蒙古栎林3种典型林型,分别设置3块(20 m×20 m)标准地进行调查,采集0~20 cm表层混合土样,分析土壤性质并提取土壤微生物总DNA,PCR扩增反硝化过程关键酶亚硝酸盐还原酶的编码基因nirK 片段,采用第2代高通量测序分析不同林型土壤nirK型反硝化微生物群落组成和多样性,探究林型和土壤性质对反硝化微生物群落特性的影响。
[结果]1)从油松林、山杨林和蒙古栎林9个土壤样本中共得到nirK基因有效序列993 401条、优质序列770 328条。
3种林型土壤nirK基因共检测出7门78属,在已鉴定的微生物中各林型优势菌为变形菌门,其相对丰度在3种林型中均达50%,在油松林中最高为58.2%;优势属主要为慢生根瘤菌属、中生根瘤菌属和红假单胞菌属,总相对丰度达50%以上,其中核心菌属为慢生根瘤菌属。
2) nirK型反硝化微生物α多样性分析显示,油松林Shannon(7.59±0.56)、Simpson(0.98±0.01)、 Chao1(2164.24±214.08)指数均显著高于山杨林(5.23±0.26、0.89±0.02、1650.56±136.69)和蒙古栎林(5.76±0.38、0.93±0.02、 1621.36±156.70)(P<0.05)。
基于Bray-Curtis距离算法并采用PCoA分析显示,不同林型土壤反硝化微生物群落组间差异大于组内。
牛场肥水灌溉对土壤nirK、nirS型反硝化微生物群落结构的影响
牛场肥水灌溉对土壤nirK、nirS型反硝化微生物群落结构的影响王婷;刘丽丽;张克强;王风;杜会英;高文萱【期刊名称】《生态学报》【年(卷),期】2017(037)011【摘要】以徐水县梁家营长期定位施肥试验田为研究对象,利用末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)分析和克隆文库构建,研究了5种施肥处理(清水灌溉CK、无机肥灌溉CF、牛场肥水不同浓度、不同次数灌溉T4、T5和T11)下土壤中nirK、nirS型反硝化细菌群落多样性及其群落结构的演变.结果表明,不同施肥处理下nirK、nirS型反硝化细菌群落多样性无显著差异,但群落结构却有明显变化:nirK型反硝化细菌群落结构既受施肥种类又受施肥量影响,优势种群尤其对施肥种类和施肥量响应显著;nirS型反硝化细菌则主要受施肥种类影响,施肥量影响微弱.牛场肥水处理和无机肥处理分别促进和抑制不同的nirS型反硝化细菌,群落主成分受无机肥促进、牛场肥水抑制.系统发育分析结果表明,土壤中nirK型反硝化细菌主要与假单胞菌属(Pseudomonas)、产碱杆菌属(Alcaligenes)和根瘤菌属(Rhizobium)的反硝化细菌具有较近的亲缘关系;nirS型反硝化细菌主要与劳尔氏菌(Ralstonia)和红长命菌属(Rubrivivax)有较近的亲缘关系.试验土壤中反硝化微生物多与目前已报道的好氧反硝化细菌亲缘关系较近,这可能与微生物分析取自表层土有关.%Field experiments of winter wheat-summer maize rotation were conducted in Xushui,Hebei Province,North China Plain irrigation area,to explore the effects of dairy effluent irrigation on diversity and community structure of nirK-and nirS-type denitrifying bacteria through terminal restrictionfragment length polymorphism (T-RFLP) analysis and gene sequence analysis.Five treatments were designed,including no fertilizers treatment (CK),conventional fertilization (CF) and dairy effluent irrigations with 3 fertilizer levels (T4,T5 and T11).The results showed that no significantly differences were noted in diversity indexes of nirK-and nirS-denitrifying bacteria in all treatments.And T-RFLP analysis of nirK and rirS genes addressed significant differences in community composition:both fertilizer type and amount affected the relative abundance of nirK-T-RFs significantly,especially for dominant T-RFs,and therefore affected nirK-community composition;organic and inorganic fertilizer treatments increased or decreased different nirS-T-RFs' relative abundance,resulting in significant differences in nirS-community composition.Phylogenetic analysis of nirK and nirS gene indicated that the nirK-type denitrifiers were mainly composed of Pseudomonas,Alcaligeneand and Rhizobium,nirS-type denitrifiers were mainly composed of Ralstonia and Rubrivivax.Most of these identified denitrifying bacteria were belong to families of aerobic denitrifying bacteria.A possible reason was that samples for biological analysis were taken from topsoil.【总页数】10页(P3655-3664)【作者】王婷;刘丽丽;张克强;王风;杜会英;高文萱【作者单位】农业部环境保护科研监测所,天津300191;天津师范大学生命科学学院,天津300387;天津师范大学生命科学学院,天津300387;农业部环境保护科研监测所,天津300191;农业部环境保护科研监测所,天津300191;农业部环境保护科研监测所,天津300191;农业部环境保护科研监测所,天津300191;天津大学化工学院,天津300072【正文语种】中文【相关文献】1.稻虾共作对稻田土壤nirK反硝化微生物群落结构和多样性的影响 [J], 朱杰;刘海;吴邦魁;袁峰;刘章勇;金涛2.农田土壤nirK和nirS型反硝化微生物的研究进展 [J], 赵明明;赵鑫盟;希尼尼根;于景丽3.氯化苦熏蒸对土壤反硝化作用及nirS型反硝化细菌群落结构的影响 [J], 燕平梅; 魏爱丽; 赵文婧; 李娜; 李博; 曹坳程4.土壤nirS、nosZ型反硝化菌群落结构及多样性对牛场肥水灌溉水平的响应 [J], 高文萱;闫建华;杜会英;张克强5.不同恢复阶段热带森林土壤nirS型反硝化微生物群落结构及多样性特征 [J], 曹乾斌;王邵军;陈闽昆;曹润;王平;左倩倩;赵爽;杨波因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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农田土，主流技术
Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
下面对几种主要的实验研究方法加以介绍和评述。
2.1.1. 传统的微生物平板纯培养方法 微生物平板培养法是一种传统的实验方法，这种方法主要是根据目标微生物选择相应的培养基，将
微生物分离培养，然后通过各种微生物的生理生化特征以及外观形态等方面进行分析和鉴定。但该分析 方法只能分离 0.1%~0.5%的土壤微生物[7]，很难得到微生物在土壤生态系统中的生活特征和生态功能的 信息，具有很大的局限性。因此，在土壤微生物群落多样性的研究中，需要结合现代分子生态技术来了 解更详细的土壤微生物信息。
2. 农田土壤 nirK 和 nirS 型反硝化微生物影响的研究进展
2.1. 研究土壤 nirK 和 nirS 型反硝化微生物的技术方法
土壤 nirK、nirS 型反硝化细菌的研究方法有很多，从国内外目前采用的方法来看，大致包括以下几 类：1) 传统的微生物平板纯培养方法；2) Biolog 微平板分析方法；3) PLFA 谱图分析方法；4) 分子生物 学分析方法；5) 其他方法，如土壤酶活性分析方法、同位素示踪法，以及荧光标记蛋白、荧光染色和荧 光原位杂交等(图 2) [6]。
Received: May 23rd, 2018; accepted: Jun. 6th, 2018; published: Jun. 13th, 2018
Abstract
Denitrification is an important way of soil nitrogen loss and also an important process of N2O emission from greenhouse gases, which is driven by denitrifying microorganisms (microbes). nirK and nirS genes are important biomarkers for denitrifying microorganisms. The role of denitrifying microbial functional genes was briefly described. The importance of nirK and nirS type denitrifying microorganisms in farmland soil and their response to nitrogen fertilizer application and research techniques were emphasized. It pointed out that nitrogen application in farmland soil could significantly increase the abundance of nirK and nirS genes and obviously changed the nirK type denitrifying microbial community. The application of nitrogen fertilizer in the paddy field promoted the increase of the diversity of nirS type denitrifying microorganisms in the soil, while nitrogen fertilizer in the dry-land could significantly affect its community structure. In future, research on nir type denitrifying microorganisms should pay more attention to the combination of molecular ecological technology and a variety of technologies. Thus, nirK and nirS type denitrifying microorganisms can be more deeply understood.
Open Access
1. 引言
1.1. 反硝化作用与反硝化微生物功能基因简介
反硝化作用是微生物在无氧或微氧条件下以 NO3− 或 NO2− 作为电子受体进行呼吸代谢获得能量，同时 将 NO3− 或 NO2− 还原为 N2O 或 N2 的过程。反硝化作用既是土壤氮肥损失的途径之一，也是产生温室气体 N2O 的主要途径。土壤的反硝化作用主要是由土壤微生物引起的，包括异化反硝化细菌、非反硝化发酵 性细菌和真菌、自养型硝化细菌等。反硝化作用是一个由四步反应构成的生物地球化学过程，包括硝酸 盐还原，亚硝酸盐还原，一氧化氮 NO 还原和氧化亚氮还原 N2O。其中，每一步都由相应的酶来催化， 分别为硝酸还原酶(Nitrate reductase, Nar)、亚硝酸还原酶(Nitrite reductase, Nir)、一氧化氮还原酶(Nitric oxide reductase, Nor)和一氧化二氮还原酶(Nitrous oxide reductase, Nos) [1] [2]，如图 1 所示。
*共同第一作者。 #通讯作者。
文章引用: 赵明明, 赵鑫盟, 希尼尼根, 于景丽. 农田土壤 nirK 和 nirS 型反硝化微生物的研究进展[J]. 微生物前沿, 2018, 7(2): 65-72. DOI: 10.12677/amb.2018.72008
赵明明 等
1内蒙古大学生态与环境学院，内蒙古 呼和浩特 2内蒙古农业大学兽医学院，内蒙古 呼和浩特 3内蒙古自治区环境污染控制与废物资源化重点实验室，内蒙古 呼和浩特
Advances in Microbiology 微生物前沿, 2018, 7(2), 65-72 Published Online June 2018 in Hans. /journal/amb https:///10.12677/amb.2018.72008
DOI: 10.12677/amb.2018.72008
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微生物前沿
赵明明 等
Figure 2. Research methods of soil microbial diversity at laboratory scale [6] 图 2. 实验室尺度下土壤微生物多样性的研究方法[6]
进行代谢反应，最终通过利用碳源的种类和强度差异使得每一个孔中的溶液呈现出不同的颜色，通过酶 标仪将颜色变化测定和记录下来，即可得到土壤微生物特有的“代谢指纹”(Metabolic Fingerprint) [6]。 根据土壤微生物的代谢指纹图谱，结合有关的计算机分析软件和已有的菌种库资料，便可以对某些微生 物进行分类鉴定。Biolog 微平板法对一般细菌的鉴定可以精确到种，但目前的数据库中菌种资料不完善， 有些只能得到相似的类群。因此，对于微生物的分类鉴定，仅靠 Biolog 系统的方法是远远不够的，还需 结合其他方法如微生物生理生化方法和表型分析等方法来进行。
由亚硝酸盐还原为 NO 的过程是反硝化作用区别于其他硝酸盐代谢的标志性反应，也是反硝化过程 中最重要的限速步骤，亚硝酸盐还原酶(Nir)是执行该步骤的限速酶。因此，nir 基因也成为反硝化细菌研 究最多的功能基因。Nir 酶包括进化关系不相关结构不同的两种酶：Cu 型亚硝酸盐还原酶(nirK)和细胞色 素 cd1 型亚硝酸盐还原酶(nirS) [3]。nirK 型亚硝酸盐还原酶是由三个相同亚基组成的三聚体蛋白，每个 亚基都含有两种类型的铜原子活性中心，即类型 I (T1Cu)和类型 II (T2Cu)；nirS 型亚硝酸盐还原酶是可 溶的同株异核生殖蛋白，是一个包含两个相同亚基的二聚体，每个亚基都包含一个细胞色素 c 和一个细 胞色素 d1 [4]。这两种亚硝酸盐还原酶在功能上没有显著差异，但二者催化位点不同，且不能共存于同种
收稿日期：2018年5月23日；录用日期：2018年6月6日；发布日期：2018年6月13日
摘要
反硝化作用是土壤氮逸失的重要途径，也是引起温室气体N2O释放的重要过程，由反硝化微生物驱动完 成。nirK和nirS基因是反硝化微生物的重要生物标志(biomarker)。本文简述了反硝化微生物功能基因 的作用，重点阐述了农田土壤nirK和nirS型反硝化微生物的重要性及其对施氮肥的响应和研究技术等， 指出了农田土壤施氮肥可显著提高nirK和nirS基因的丰度，并且明显改变nirK型反硝化微生物群落结构 组成；在水田中施氮肥促进了土壤中nirS型反硝化微生物多样性的增加，而在旱田中氮肥却可以显著影 响其群落结构。今后关于nir型反硝化微生物的研究应更加注重分子生态技术与多种技术相结合，以便对 nirK和nirS型反硝化微生物进行更深入的研究。
1.2. 研究氮肥对 nirK 和 nirS 基因影响的重要性
施肥是影响土壤质量及其可持续利用的重要农业措施之一，对土壤结构、生物肥力和生产力产生了 重要的影响。近年来投入到农田的化肥量有明显的递增趋势，其中氮肥的过量投入使硝酸盐在蔬菜等植 物体内超标积累，污染了地下水，造成了湖泊水体富营养化，以及产生了各种含氮气体(包括 N2O)加剧了 温室效应，既对人体健康造成了一定损害，又带来了严重的环境污染。亚硝酸盐还原酶在氮素循环中起 着重要的作用，因此研究施氮肥对亚硝酸还原酶 nir 基因的影响，可为探讨施氮肥对土壤氮素循环利用机 制及反硝化作用提供有利的依据，具有提高氮肥利用率以及开展温室气体减排研究的双重意义。
Advances in nirK and nirS Type Denitrifying Microbes of Agricultural Soils