土壤微生物与氮素转化过程研究进展(刘)

1.1.1土壤微生物与氮素转化过程研究进展（1500字）

土壤微生物与氮素转化的关系：氮循环(Nitrogen Cycle)(Arrigo2005)是描述自然界中氮单质和含氮化合物之间相互转换过程的生态系统的物质循环。构成氮循环的主要环节是生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。其中氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及固氮作用都有微生物完成，因此自然界中氮循环的微生物作用一直是世界研究的前沿课题。

氨化作用(ammonification)是微生物分解有机氮化物产生氨的过程。产生氨，一部分供微生物或植物同化，一部分被转变成硝酸盐。很多细菌、真菌和放线菌都能分泌蛋白酶，在细胞外将蛋白质分解为多肤、氨基酸和氨(NH3)。其分解能力强并释放出NH3的微生物称为氨化微生物。分解作用较强的主要是细菌，如某些芽抱杆菌、梭状芽抱杆菌和假单抱菌等。

硝化作用(nitrification)是硝化细菌将氨氧化为硝酸的过程。先是亚硝化单胞菌将钱氧化为亚硝酸;然后硝化杆菌再将亚硝酸氧化为硝酸。

反硝化作用(denitrification)也称脱氮作用，是反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮(N2)或一氧化二氮(N2O)的过程。微生物和植物吸收利用硝酸盐有两种完全不同的用途:植物利用其中的氮作为氮源，称为同化性硝酸还原作用:NO3-、NH+、有机态氮，许多细菌、放线菌和霉菌也能利用硝酸盐作为氮素营养;但是也有许多细菌利用NO2-和NO3-为呼吸作用的最终电子受体，把硝酸还原成氮(N2)，称为反硝化作用或脱氮作用:NO3-→NO2- →N2。例如脱氮小球菌、反硝化假单胞菌等，它们以有机物为氮源和能源，进行无氧呼吸。生物固氮作用(biologicalnitrogenfixation)是指固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程，只发生在少数的细菌和藻类中。因地壳含有极少的可溶性无机氮盐，所有生物几乎都需要依赖固氮生物固定大气中的氮而生存，因此生物固氮对维持自然界的氮循环起着极为重要的作用。对固氮生物的研究和利用能为农业开辟肥源，对维持和提高土壤肥力有很大意义。

土壤微生物在氮素循环中作用的研究现状：自然界中氮的转化与土壤微生物的作用密不可分，在过去几年中，随着异养硝化、厌氧氨化和古菌氨氧化过程的发现，人们对氮循环的认识发生了明显改变。自1890年硝化反应被Winogradsky首次发现，有关全球氮循环的研究经历了传统的硝化反应到新型微生态的发展过程。由最初两种微生物，即氨氧化菌(AOB，Ammonia Oxidation Bacteria)和亚硝酸氧化菌AOB，Nitrite Oxidation Bacteria)，到异养硝化细菌(ArrigoK.2005) 以及厌氧氨化过程Mulder A.1995)，至近几年Anammox菌和氨氧化古菌(Francis CA.2007)的发现，自然界氮循环的途径被两次更新(Arrigo K.2005，satyendra Kuma

2008)。近年来与氮素循环相关的土壤微生物功能基因多样性的报道越来越多，Coelho 等

（Coelho，2008）发现, 氮肥水平是影响高粱根际土壤固氮细菌群落结构的重要环境因子,不仅氮肥用量, 氮肥种类也一定程度影响土壤硝化和反硝化细菌种群结构和数量。与不同无机肥组合相比, 有机肥显著刺激了土壤氨氧化细菌数量的增加和群落组成的改变（Chu H Y，2007，Chu H Y，2007）Enwall （Enwall K，2005）等发现施有机肥土壤的反硝化速率高于

施无机肥的反硝化速率, 但反硝化细菌群落组成无明显差异性。

参与土壤氮素循环的微生物功能基因多样性研究：

（一）固氮作用中的微生物功能群和功能基因。固氮细菌种类丰富, 包括固氮菌属(Azotobacter)、固氮螺菌(Azospirillum)、拜叶林克氏菌属(Beijerinckia)、着色菌属(Chromotium)、Chstridium、脱硫弧菌(Desulfovibrio)、克氏杆菌(Klebsiella)、类芽孢杆菌属(Paenibacillus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、红假单胞菌属(Rhodopseudomonas)、红螺菌属(Rhodosospirillum)和硫杆菌属(Thiobacillus)。蓝细菌和放线菌中一些种类也可以固氮。固氮酶由两个多亚基的金属蛋白酶组成, 成份Ⅰ由由nifD, nifK 基因编码，成份Ⅱ由由nifH 基因编码。由于nifD、nifK 基因序列相对较少,因此固氮酶多样性研究主要基于nifH基因的系统进化分析。

（二）硝化作用中的微生物功能群和功能基因。参与硝化过程的微生物主要有氨氧化细菌(AOB)或古菌(AOA)及亚硝酸盐氧化菌(NOB)。由于氨氧化细菌很难分离培养, 目前研究多基于微生物分子生态学的方法, 通过靶定16S rRNA 或氨单加氧酶编码基因amoA 探讨其在生态系统中的分布和丰度等（Kowalchuk G A.2000, Norton J M.2002）。

（三）反硝化作用中的微生物功能群和功能基因。反硝化作用具体过程为：NO3−→NO2−→NO→N2O→N2, 要求4 个酶连续反应, 包括硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶、NO 还原酶和N2O还原酶（Philippot L，2002）硝酸盐还原作用或被膜靠硝酸盐还原酶(NarG) 催化, 或被可溶性细胞质硝酸盐还原酶(NapA)催化。一些细菌同时表达以上两种酶, 从而拥有不同的生理作用（Richardson D J，2002）。亚硝酸盐还原作用被含铜离子的亚硝酸盐还原酶(NirK)或含细胞色素cd1 亚硝酸盐还原酶(NirS)所催化。

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