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中科院生态环境中心祝贵兵研究组在前期发现白洋淀苇地-沟壕系统的水陆交错带存在厌氧氨氧化反应热区之后,提出猜想:两相物质的交界面,特别是缺氧-好氧界面,很可能发生着广泛的厌氧氨氧化反应。
首先,祝贵兵研究组与朱永官研究员合作,在微米、厘米的尺度上证明缺氧-好氧界面发生着广泛的厌氧氨氧化反应。采集典型水稻根际和非根际土壤,应用CARD-FISH、qPCR和同位素示踪的方法,证明水稻根际土壤发生显著的厌氧氨氧化反应,产生的氮气量占总生成量的30-40%,而非根际土壤产生的氮气量仅占总氮气生成量的2-3%,证明了在微米、厘米尺度的水稻根际土壤中,发生显著的厌氧氨氧化反应。论文发表于The ISME Journal。
在上述小尺度验证之后,祝贵兵研究组扩大研究地点,在全国范围进行大尺度验证,同时也估算厌氧氨氧化反应对我国水生态系统氮循环的贡献。
通过对10种来自40个不同地区256个样品进行大规模取样研究发现证实,厌氧氨氧化反应在陆地水生态系统是无处不在的,甚至在一些极端环境下,例如高温(大于75℃)、低温(低于-25℃)、高pH值(大于9)、低pH值(小于4)、富营养化和寡营养盐的不同水体,都发生着厌氧氨氧化反应。厌氧氨氧化反应主要发生在表层沉积物50cm以上区域,并对氮循环起重要作用。相比于河流系统,湖泊发生着更加显著的厌氧氨氧化反应,反应速率是河流中厌氧氨氧化反应速率的数量级倍数,其中湖泊岸边带是整个水生态系统厌氧氨氧化反应的热区。厌氧氨氧化反应在稻田系统的广泛发生,补充了土壤生态系统氮循环理论体系,为我国稻田系统氧化亚氮(N2O)释放量的精确计算提供科学借鉴。
在沼泽湿地中厌氧氨氧化反应的广泛发生,将我们对厌氧氨氧化反应发生条件的认识,从传统的高氮低碳环境,拓展到高碳低氮环境,并结合各种湿地和水生态系统的面积,推算由厌氧氨氧化反应产生的氮流失量(2.0TgNyr-1)占总量的11.4%,论文发表于Scientific Reports和Environmental Microbiology Reports。
同时,祝贵兵研究组对与厌氧氨氧化菌共生的功能微生物如氨氧化古菌(ammonia oxidizing archaea, AOA)和反硝化厌氧甲烷氧化菌(nitrite-dependent anaerobic methane oxidization, N-DAMO)也进行了相关研究,论文发表于Scientific Reports和Environmental Microbiology Reports。
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