“出淤泥而不染”—祝贵兵研究组在全球地下含水层系统厌氧氨氧化氮流失方面取得新进展

“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”，是北宋诗人周敦颐《爱莲说》中的名句，意指莲花身处污泥之中，却纤尘不染。在全球地下水氮流失方面，厌氧氨氧化反应就像“莲花”一样，身处地下土壤含水层，却起着独立而不可或缺的作用。

全球含氮化肥及其他化学物质的广泛使用，造成严重的地下水氮污染，人类健康和环境安全受到严重威胁。祝贵兵团队前期研究表明，我国陆地表层水生态系统，发生着长期被忽略却又无处不在的厌氧氨氧化过程，而且水是唤醒厌氧氨氧化菌的关键因素《The ISME Journal，2018》。但是，在土壤系统中厌氧氨氧化反应是否也发挥重要作用，尚不明确。最近，祝贵兵团队的王衫允博士利用同位素示踪技术和高通量测序分析发现，厌氧氨氧化主导湿地岸边带地下水位线以下饱和含水层中的氮流失（37.5-67.6%），而反硝化主导地下水位线以上非饱和土壤中的氮流失。硝酸盐异化还原成铵（DNRA）对该过程中底物氨氮和亚硝酸盐的调控具有重要作用。随着水位上升，厌氧氨氧化对氮流失的贡献显著增加，并伴随温室气体N2O排放的显著减少（~39.3±10.6％）。地下含水层中厌氧氨氧化的发现，为地下水硝酸盐治理提供了新途径。该成果发表于环境工程TOP杂志 《Water Research, 2019》和《Scientific Reports, 2017》。

基于以上研究，我们猜测全球地下含水层系统也发生厌氧氨氧化反应。团队成员王衫允博士在全球范围1000多个样点取样研究，发现厌氧氨氧化在全球地下含水层广泛发生且具有“热层”效应，对氮流失的贡献达36.8-79.5%。同位素示踪技术和高通量测序技术分析表明饱和和非饱和土层交界面是厌氧氨氧化发生的关键分界点，在非饱和土层不发生，在饱和土层开始发生并以Candidatus Brocadia anammoxidans为主导菌属。这项研究工作的重要意义在于，厌氧氨氧化在地下含水层氮循环及氮污染修复中可以起到显著地作用。由此推测，在全球气候变化的影响下，降水增加，地下水位线升高，将改变全球地下含水层氮流失路径，从而影响全球温室气体排放和氮循环通量。该成果发表于国际微生物生态学的权威杂志《The ISME Journal, 2019》。

三篇代表性论文的第一作者均是王衫允助理研究员，通讯作者是祝贵兵研究员。该研究得到了国家自然科学基金（41322012, 41671471, 91851204）、中国科学院饮用水科学与技术重点实验室自由课题（15Z07KLDWST，16Z03KLDWST）、中国科学院先导专项（XDB15020303）、中国科学院青年创新促进会等项目资助。

论文链接1： https://www.nature.com/articles/s41396-019-0513-x

论文链接2： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135419305652

论文链接3: https://www.nature.com/articles/srep40173

图1 （I）全球地下含水层规模性厌氧氨氧化的发生及对氮损失的贡献。饼形图表示厌氧氨氧化和反硝化过程对土壤中氮损失的贡献比率。（II）区域尺度旱地地下含水层厌氧氨氧化的发生、速率和贡献（24 km，中国河北省安新县）。a-f分别代表距离为7.0、7.0、4.0、4.5和1.5 km的不同土壤剖面。（III）全球地下土壤含水层厌氧氨氧化的发生，速率和贡献。速率用通量单位mmol N m-2 d-1表示，浅蓝色和灰色分别代表饱和和非饱和土壤层，速率和丰度数据均为平均值±s.e.（标准差，n = 5）。

中国科学院饮用水科学与技术重点实验室

2019年10月10日