近日，我校生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李平研究員（教授）課題組與廈門(mén)大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所合作，在環(huán)境生態(tài)學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《The ISME Journal》上發(fā)表了題為“Nitrogen fixation and diazotroph diversity in groundwater systems”的研究論文。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)為該論文第一完成單位，李平研究員為通訊作者，博士研究生劉曉晗為第一作者。
生物固氮（BNF）是將N2轉(zhuǎn)化為生物可利用N的過(guò)程，在維持全球N循環(huán)中具有重要作用。地下水是重要的淡水資源，農(nóng)業(yè)灌溉和生活污水的排放向地下水輸入了大量的N，加速了地下水中NH4+和NOX-的轉(zhuǎn)化。然而，目前學(xué)界對(duì)地下水系統(tǒng)中的BNF過(guò)程仍知之甚少。本研究采用15N2同位素示蹤、單細(xì)胞拉曼以及宏基因組/轉(zhuǎn)錄組等技術(shù)，通過(guò)原位表征并結(jié)合室內(nèi)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了地下水系統(tǒng)中存在大量有活性的固氮微生物。
圖1. 地下水系統(tǒng)中微生物固氮及其多樣性概念圖
通過(guò)對(duì)地下水中固氮微生物的活性、多樣性和生物地球化學(xué)網(wǎng)絡(luò)等研究發(fā)現(xiàn)，原位地下水中BNF速率高達(dá)585.4nmol N L-1 h-1 （圖2A），在單細(xì)胞水平上也顯示出了細(xì)胞色素c共振拉曼峰的偏移（固氮菌的特征偏移譜峰）（圖2D）。Stutzerimonas、Pseudomonas、Paraburkholderia及Klebsiella等異養(yǎng)微生物是地下水中活性固氮菌的主要類(lèi)群。
圖2. 原位地下水和固氮富集物/純培養(yǎng)物的固氮活性
此外，BNF與硝化、硫/砷代謝、亞鐵轉(zhuǎn)運(yùn)和甲烷氧化等過(guò)程緊密相關(guān)（圖3），地下水中的有機(jī)質(zhì)以及硫/鐵/錳的還原過(guò)程可能是驅(qū)動(dòng)微生物固氮的能量來(lái)源，而微生物固氮為相關(guān)的生物地球化學(xué)過(guò)程提供氮源。本研究從多角度證明了BNF是地下水系統(tǒng)重要的N循環(huán)環(huán)節(jié)，完善了我們對(duì)地下水N循環(huán)的認(rèn)識(shí)，對(duì)深入理解相關(guān)生物地球化學(xué)過(guò)程具有重要意義。
圖3. 地下水固氮過(guò)程的生物地球化學(xué)網(wǎng)絡(luò)
上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 42177068、91851115、91851209 和 91851101）資助，以及中科院生態(tài)環(huán)境中心鄧曄研究員生信分析平臺(tái)、廈門(mén)大學(xué)高樹(shù)基教授和中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所崔麗研究員團(tuán)隊(duì)的協(xié)助。
論文信息：
標(biāo)題：Nitrogen fixation and diazotroph diversity in groundwater systems.
作者：Xiaohan Liu, Ping Li*, Helin Wang, Li-Li Han, Kai Yang, Yanhong Wang, Zhou Jiang, Li Cui and Shuh-Ji Kao
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41396-023-01513-x
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