研究简介：土壤是微生物最适宜的生活环境，具有微生物生长繁殖和生命活动需要的各种条件。水稻土是通过洪水过后冲击泥土堆积及施氮肥形成的，氨氧化细菌、氨氧化古菌对于硝化作用过程中的主要承担者，目前对于这方面的研究较少。本研究主要研究氨氧化细菌、氨氧化古菌、亚硝酸盐氧化细菌对于四种不同类型的水稻土中的硝化作用的贡献，研究表面在弱氧环境中，氨氧化古菌比氨氧化细菌对于土壤的硝化作用贡献更大。


丹麦Unisense微电极的应用


1.5L的聚乙烯容器中装有1.5kg的泥土以及上面覆盖有2-3cm的水来模拟水稻土的微环境，将该装置在25度的环境下静置60天。使用丹麦unisense微电极系统测试水稻土中的氧剖面图，其中的氧微电极的型号是0X50，微电极的尖端插入到水稻土中，以步径100微米的距离于测量水稻土中的溶氧浓度，测定水稻土中的溶氧浓度的最深处的距离为5毫米。


实验结果：研究了氨氧化细菌、氨氧化古菌、亚硝酸盐氧化细菌等菌属对于四种水稻土壤中中硝化作用的贡献，结合微电极技术测试土壤中氧气浓度，并结合稳定性同位素核酸探针技术研究水稻土中的氨氧化细菌、氨氧化古菌、亚硝酸盐氧化细菌的在不同的生态系统中土壤中的作用，研究发现氨氧化细菌和氨氧化古菌在这些土壤中的硝化作用是不同的。在弱碱性土壤样品（四川资阳的水稻土壤样品），氨氧化古菌起在土壤硝化中起主导作用。而在中性土壤（浙江嘉兴水稻土壤样品）中，氨氧化细菌起主导作用。这篇论文研究的结果表明了基于湿地环境的水稻土土壤有其自身独特的硝化特征，硝化过程中的氨氧化剂和亚硝化氧化剂之间的关系非常精密，与土壤本身的物理化学性质有关（土壤本身的PH环境以及氧化还原环境）

图1、A表示的是四种水稻土中的氧浓度的剖面图，其中蓝色方块代表的是四川资阳、红色圆圈表示的是江苏扬州江都区、绿色三角形是广西雷州、黑色五角星代表的是浙江嘉兴。图B表示的是氨氧化细菌的典型biplot分析，即关于四种水稻土中亚硝酸细菌与其水稻土的理化性质之间的biplot分析。

图2、使用稳定性同位素核酸探针技术研究不同水稻土中氨氧化细菌与氨氧化古菌的硝化贡献率。左边的图表示的是所取水稻土样品的地理位置，右边表示的是稳定性同位素核酸探针（DNA-SIP）技术示意图，利用标记底物进行合成代谢的微生物细胞，基于DNA半保留复制原理，不断合成13C-DNA，而不利用标记底物的微生物细胞其DNA全部都是12C-DNA。培养结束后对土壤基因组的总DNA进行提取，通过超高速密度梯度离心将13C-DNA与12C-DNA分离，进一步采用分子生物学技术对13C-DNA进行下游分析，从而达到揭示微生物复杂生态系统重要过程。

表1、四种不同水稻土中的土壤理化性质。四种水稻土分布取自与中国的不同区域，分布来自于四川的资阳（ZY）、广西的雷州(LZ)、浙江的嘉兴(JX)、江苏江都（JD).结合数据分析可以看出，土壤样品中除了资阳的水稻土壤偏碱性，其余的样品偏弱酸性。


总结：本论文还是古菌对于通过稳定同位素13C原位示踪土壤硝化过程微生物驱动者的核酸DNA和一代高通量测序技术，研究了不同环境下的四种水稻土壤中的氨氧化细菌、氨氧化古菌对于土壤的硝化氧化过程起主导作用的菌属。研究分析导致土壤氨氧化细菌和古菌功能产生分异的机制，并且关于氨结合了微电极测试系统，应用克拉克型氧微电极测试了水稻土中的氧气浓度的剖面分析，从而准确的获取土壤中有氧区和无氧区域，并结合氨氧化细菌和古菌功能上特点分析他们对于土壤硝化过程的贡献率。从整篇论文的研究过程可以看出，微电极系统对于土壤中微生物硝化过程的研究具有重要的应用前景。