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    “出淤泥而不染”—祝貴兵研究組在全球地下含水層系統厭氧氨氧化氮流失方面取得新進展
    2019-10-11 | 編輯: | 【 】【打印】【關閉

      “出淤泥而不染,濯清漣而不妖”,是北宋詩人周敦頤《愛蓮說》中的名句,意指蓮花身處污泥之中,卻纖塵不染。在全球地下水氮流失方面,厭氧氨氧化反應就像“蓮花”一樣,身處地下土壤含水層,卻起著獨立而不可或缺的作用。

      全球含氮化肥及其他化學物質的廣泛使用,造成嚴重的地下水氮污染,人類健康和環境安全受到嚴重威脅。祝貴兵團隊前期研究表明,我國陸地表層水生態系統,發生著長期被忽略卻又無處不在的厭氧氨氧化過程,而且水是喚醒厭氧氨氧化菌的關鍵因素《The ISME Journal,2018》。但是,在土壤系統中厭氧氨氧化反應是否也發揮重要作用,尚不明確。最近,祝貴兵團隊的王衫允博士利用同位素示蹤技術和高通量測序分析發現,厭氧氨氧化主導濕地岸邊帶地下水位線以下飽和含水層中的氮流失(37.5-67.6%),而反硝化主導地下水位線以上非飽和土壤中的氮流失。硝酸鹽異化還原成銨(DNRA)對該過程中底物氨氮和亞硝酸鹽的調控具有重要作用。隨著水位上升,厭氧氨氧化對氮流失的貢獻顯著增加,并伴隨溫室氣體N2O排放的顯著減少(~39.3±10.6%)。地下含水層中厭氧氨氧化的發現,為地下水硝酸鹽治理提供了新途徑。該成果發表于環境工程TOP雜志 《Water Research, 2019》和《Scientific Reports, 2017》。

      基于以上研究,我們猜測全球地下含水層系統也發生厭氧氨氧化反應。團隊成員王衫允博士在全球范圍1000多個樣點取樣研究,發現厭氧氨氧化在全球地下含水層廣泛發生且具有“熱層”效應,對氮流失的貢獻達36.8-79.5%。同位素示蹤技術和高通量測序技術分析表明飽和和非飽和土層交界面是厭氧氨氧化發生的關鍵分界點,在非飽和土層不發生,在飽和土層開始發生并以Candidatus Brocadia anammoxidans為主導菌屬。這項研究工作的重要意義在于,厭氧氨氧化在地下含水層氮循環及氮污染修復中可以起到顯著地作用。由此推測,在全球氣候變化的影響下,降水增加,地下水位線升高,將改變全球地下含水層氮流失路徑,從而影響全球溫室氣體排放和氮循環通量。該成果發表于國際微生物生態學的權威雜志《The ISME Journal, 2019》。

      三篇代表性論文的第一作者均是王衫允助理研究員,通訊作者是祝貴兵研究員。該研究得到了國家自然科學基金(41322012, 41671471, 91851204)、中國科學院飲用水科學與技術重點實驗室自由課題(15Z07KLDWST,16Z03KLDWST)、中國科學院先導專項(XDB15020303)、中國科學院青年創新促進會等項目資助。

      論文鏈接1: https://www.nature.com/articles/s41396-019-0513-x 

      論文鏈接2: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135419305652 

      論文鏈接3: https://www.nature.com/articles/srep40173 

     

      圖1 (I)全球地下含水層規模性厭氧氨氧化的發生及對氮損失的貢獻。餅形圖表示厭氧氨氧化和反硝化過程對土壤中氮損失的貢獻比率。(II)區域尺度旱地地下含水層厭氧氨氧化的發生、速率和貢獻(24 km,中國河北省安新縣)。a-f分別代表距離為7.0、7.0、4.0、4.5和1.5 km的不同土壤剖面。(III)全球地下土壤含水層厭氧氨氧化的發生,速率和貢獻。速率用通量單位mmol N m-2 d-1表示,淺藍色和灰色分別代表飽和和非飽和土壤層,速率和豐度數據均為平均值±s.e.(標準差,n = 5)。

      中國科學院飲用水科學與技術重點實驗室

      2019年10月10日

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