微生物论文
硝化作用在土壤氮转化过程中是一个非常重要的步骤，它关系到外源铵态氮和矿化释放的氮在土壤氮循环中的转化以及土壤氮的损失。所涉及的过程关联着土壤的酸化、水体的富营养化以及温室气体 N2O 的排放等环境问题[1].因此，硝化作用一直是氮转化过程中一个备受关注的环节。
氨氧化作用是硝化作用的第一步反应，也是限速步骤[2],其主要驱动者是氨氧化细菌（Ammonia-oxidizing bacteria,AOB）和氨氧化古菌（Ammonia -oxidizing archaea,AOA），因此对它们的研究引起了广泛的关注。
1 系统发育地位。
1.1 氨氧化细菌。
氨氧化细菌普遍存在于土壤、地表水和沉积物中，还被发现在建筑沙石、苏打以及南极冰层等一些极端的生态环境中也有存在。Woese 等[3]基于16S rRNA 结果比对发现，两类在系统发育上明显不同的类别组成了氨氧化细菌：一类是属于变形菌门 （Proteobacteria），包含海洋硝化球菌（Nitroso-coccus oceanus） 的 γ - 亚纲；另一类也是属于变形菌门，包含活动硝化球菌（Nitrosococcus mobilis） 的β 亚纲。变形菌门的 β 亚纲又包含 3 个分支：其一是 Nitrosococcus mobilis;其二是欧洲亚硝化单胞菌 （Nitrosomonas europaea）；其三是亚硝化螺旋菌（Nitrosospira） 、亚硝化叶菌（Nitrosovibrio） 和亚硝化弧菌（Nitrosolobus）。Head 等[4]在基于 16S rRNA 的核苷酸序列对 AOB 的系统发育树开展同源性比较时，将亚硝化弧菌、亚硝化螺旋菌亚和硝化叶菌都归类到亚硝化螺旋菌属。分子系统发生学分析表明，陆地生态系统中的优势种群 Nitrosospira 和Nitrosomonas 可以分成 9 个不同的系统发生簇（cluster）。
1.2 氨氧化古菌。
在系统发育与进化方面，AOA 形成了一类完全独立于 AOB 的进化分支。基于 16SrRNA 基因系统发育分析表明，聚类在泉古菌的不同 AOA 分支其生态来源也不同：聚类于 Group 1.1a 的 AOA来源于海洋、大部分水体和沉积物；聚类于 Group1.1b 的 AOA 来源于土壤及其它陆地环境。基于amoA 基因，在系统发育树上嗜高温 AOA 独立于海洋和土壤分支。基于 16S rRNA 基因和 AOA 的amoA 基因的系统发育分析结果显示，二者能很好地重合。除此之外，Group 1.1c 类群也被发现，并认为它们可能也参与了氨氧化过程，但目前还没有找到相应的 amoA 序列[5].
2 氨氧化微生物对土壤氮循环的相对贡献。
研究表明，虽然地球环境中存在大量的氨氧化古菌和氨氧化古菌的 amoA 基因，但并不说明该基因一定会在驱动氨氧化过程中发挥作用[6].
2.1 氨氧化细菌在碱性土壤中的主导作用。
在中性和碱性土壤中，施肥尤其是高量氮肥的施入，显着改变了 AOB 的群落组成，并且数量也有增加，但对 AOA 却没有显着影响。暗示 AOB在这些土壤中更加“活跃”.Shen 等[7]对河南封丘长期定位试验站中碱性潮土（pH=8.3~8.7）的研究中发现，不同施肥处理下 AOB 的数量均显着低于AOA,但不同施肥处理仅导致 AOB 群落结构发生了变化，对 AOA 的群落组成并没有产生明显的影响，而且只有 AOB 的丰度与与土壤硝化潜势呈显着正相关。推测在这些碱性潮土中主要是 AOB 对土壤硝化作用产生贡献。同样地，在对新西兰高氮草地土壤的研究中，Di 等[8]也发现施氮肥增加了AOB 的丰度和土壤的硝化强度，这种增加可被硝化抑制剂 DCD 明显抑制，对 AOA 却没有明显的影响。
利用 DNA-SIP 技术，Xia 等[9]研究发现在河南封丘碱性潮土中，只有 AOB 参与了氨氧化过程和13CO2的固定，AOB 在该土壤硝化作用中发挥了主导作用。Jia and Conrad[10]在对德国中性农田土壤进行研究时仅发现 AOB 能够同化 CO2,推测AOA 可能并没有参与土壤的硝化过程，或者因AOA 只是利用了极少量的 13CO2而没能分离到足够量的标记 DNA,认为 AOB 是该土壤硝化作用的主要贡献者。同样，Jiang 等[11]发现在碱性水稻土壤（pH=8.0）中硝化作用的主导者也是 AOB（Nitrosospira Cluster 3）。Wang 等[12]在对江西玉米地长期定位施肥土壤进行 DNA-SIP 研究时发现，不施肥对照、施 N 肥和 NPK 肥的土壤 pH 值为酸性，AOA 在同化 CO2的过程中占据了主导地位；而长期施有机肥的土壤 pH 值接近中性，主要是AOB 参与了 CO2的同化。
2.2 氨氧化古菌在酸性土壤中的主导作用。
He 等[13]通过对湖南祁阳旱地肥力及肥料效应长期定位试验点红壤的研究中发现，土壤 pH值（pH= 3.7~5.8）因长期施用氮肥而显着降低，在8 个不同施肥处理中，AOB 的数量均显着低于AOA.不同施肥处理对土壤总细菌数量的影响并不明显，但显着影响了 AOA 和 AOB 的数量；而且AOB 的群落组成在各处理之间没有显着差异，AOA 的群落组成差异却非常明显[14].这表明 AOA的丰度和群落组成对长期施肥导致的土壤理化性质的变化所产生的响应比 AOB 更明显。而且，AOB 和 AOA 的丰度与土壤硝化潜势呈显着正相关，推测酸性土壤中 AOB 和 AOA 对土壤硝化作用可能都有贡献。另有对我国南方酸性土壤中AOB 和 AOA 群落组成调查的研究结果[15 -16]也支持了这一推测。这些土壤中仅 AOA 的数量与土壤硝化潜势呈正相关，与 AOB 的数量并没有关系；而且茶园土壤中 AOA 与 AOB 的数量之比随 pH值的降低而增加。这些结果表明：在酸性土壤氨氧化作用中，AOA 可能比 AOB 更加活跃。应用基于 DNA 分析的稳定性同位素探针技术（DNA-SIP） ,Zhang 等[17]根据氨氧化微生物氧化氨的同时固定 CO2进行自养生长这一原理，加入13C 标记的 CO2作为底物对土壤（pH=3.7）进行培养，发现“活跃的”氨氧化微生物是 AOA 中的Group 1.1a-associated 类群，在氨氧化过程中发挥了主导作用，同化了 13CO2进行了生长，并且氨氧化速率与 AOA 的 amoA 基因丰度呈显着正相关，但在 AOB 中没有发现这种现象。另外，Lu 等[18]的研究结果同样表明 Group 1.1a-associated 类群是氨氧化作用的主要执行者。Wang 等[19]在研究另一种酸性农田土壤时发现氨氧化作用的执行者是Group 1.1b 类群。以上结果表明，氨氧化古菌主导了这些酸性土壤中的硝化作用。
AOA 在酸性环境中发挥主要功能的可能机理包括[20]:（1） AOA 对 NH3的亲和力更高[21],因此，在低浓度 NH3的环境中更容易生长。酸性土壤的pH 值较低，其中的氨多以 NH4+的形态存在，NH3浓度较低，更适于对 NH3亲和力较高的 AOA 生长。（2）很多研究表明，与无机氮相比，AOA 的生长更易受有机氮的刺激，自养生长所利用的主要是有机质矿化所释放的低浓度 NH3.另外，AOA也可能是混合营养型生长，直接利用土壤中的有机碳源[22].因此，AOA 比 AOB 具有更大的竞争优势。（3）AOA 与 AOB 相比其生理生化和遗传特征更加独特，通过对几株纯培养的 AOA 基因组学的分析发现，AOA 和 AOB 的氨氧化途径可能显着不同，而且 AOA 的氨氧化和碳固定过程能量的消耗明显减少，有助于它们在一些不利的环境中发挥作用[23].
酸性土壤中 AOA 占主导与碱性和中性土壤中 AOB 占主导的研究结果，支持了这样一种猜测：两类氨氧化微生物的生态位具有明显的分化特征[24].即在中性和碱性土壤中，AOB 发挥了功能活性；在低氮、强酸性和高温等较苛刻的环境中AOA 是硝化作用的主要驱动者。近来从英国苏格兰酸性土壤中成功富积培养到的一株嗜酸氨氧化古菌 Nitrosotalea devanaterra,其适宜的生长 pH 值为 4.0~5.0,当 pH>5.5 时生长受抑制[25],更进一步证实了以上观点。