湿地厌氧氨氧化氮循环研究取得进展
中科院生态环境研究中心,2013-01-25
导读：长久以来，人们一直认为，氨的氧化只在有氧条件下发生。新近研究发现在缺氧/厌氧条件下，氨也可以由厌氧氨氧化菌以亚硝酸为电子受体直接氧化为氮气，完成封闭的产氮气循环，同时避免温室气体N2O产生。它打破了人们对传统氮循环模式的认识，受到国际社会的广泛关注。目前厌氧氨氧化在自然界的研究还局限于海洋生态系统，且已探明厌氧氨……
长久以来，人们一直认为，氨的氧化只在有氧条件下发生。新近研究发现在缺氧/厌氧条件下，氨也可以由厌氧氨氧化菌以亚硝酸为电子受体直接氧化为氮气，完成封闭的产氮气循环，同时避免温室气体N2O产生。它打破了人们对传统氮循环模式的认识，受到国际社会的广泛关注。
目前厌氧氨氧化在自然界的研究还局限于海洋生态系统，且已探明厌氧氨氧化反应的产氮气量（>50%）要高于反硝化反应。在此之前，厌氧氨氧化反应是否在陆地生态系统也发挥重要作用尚不明确。
针对这一问题，中科院生态环境中心水环境水生态研究组祝贵兵副研究员在尹澄清、单保庆研究员的指导下，通过与国内外科学家的合作，从生物地球化学、微生物生态学以及环境科学等多个角度开展深入研究，取得了系列研究成果，发表在相关领域的国际知名杂志。
稻田是陆地生态系统N2O的最大释放源之一。以往研究认为，稻田中氮的流失主要包括氨挥发、径流、植物吸收等过程。祝贵兵通过田间实验证明，在典型高氮污染的稻田土壤中存在大量的厌氧氨氧化菌并发生显著的厌氧氨氧化反应。在研究地点，通过厌氧氨氧化反应流失的氮量占总氮气生成量的4%-37%，每年每平米损失的氮素高达76g。这是厌氧氨氧化反应首次报道于稻田土壤生态系统（ISME Journal. 2011. 5(12): 1905-1912）。
在研究组多年岸边带研究的基础上，根据厌氧氨氧化的反应底物以及岸边带的生物地球化学特征和景观异质性特点，提出湖泊岸边带可能是厌氧氨氧化反应的热区这一假设。首先在白洋淀一处典型的岸边带系统进行现场实验，发现岸边带沉积物是厌氧氨氧化反应的热区和厌氧氨氧化菌的高丰度区域；在此基础上进行全湖大面积采样并进一步证实，且得到的厌氧氨氧化活性和丰度值均高于已报道的速率和丰度，占总氮气生成量的比值达到11-35%；另外还发现，厌氧氨氧化的反应热区能够显著降低N2O的释放。相关成果发表在Nature Geoscience上（Nature Geoscience. 2013. Online Publication. DOI: 10.1038/NGEO1683）。.
自然界厌氧氨氧化反应速率与厌氧氨氧化菌丰度和种群结构都密切相关。在陆地生态系统中，河流表层具有很大的氨氮通量，而地下水系统是亚硝酸盐通量的最大载体，由此推测河流岸边交错带也可能发生显著的厌氧氨氧化反应。以珠江河流岸边带沉积物为研究对象，进行了不同时空变化条件下的相关研究。发现尽管河流岸边带具有非常高的厌氧氨氧化菌的丰度，还与种群结构密切相关，但是厌氧氨氧化反应速率并不与其丰度严格线性相关（Environmental Science & Technology. 2012. 46: 8834-8842）。
综合以上自然湿地研究的成果，开发了人工湿地通过厌氧氨氧化反应实现N2O减排的方法。系统稳定后，厌氧氨氧化反应速率提高了10倍，占总氮气生成量的比值提高了5倍达到42%，而且减少了30%的N2O排放。成果发表于Environmental Science & Technology（2011. 45(23): 9951-9958）。
以上研究得到了国家自然科学项目、环境水质学国家重点实验室自由探索项目、中科院青年人才项目和北京市科技新星的资助。
