典型PAHs的土壤反硝化降解机制研究

作为土壤氮素循环重要环节的反硝化已经被证实能与多环芳烃（PAHs）的代谢相偶联。因此，研究土壤反硝化过程对PAHs响应及反其与PAHs代谢相偶联的机制具有重要意义。本项目以具有50多年油气开发史的油田区土壤为研究对象，研究土壤微生物对PAHs污染的响应机制。通过添加电子受体的厌氧培养、富集培养及添加硝化抑制剂（DMPP）的室内培养实验，进一步探讨典型PAHs的降解与土壤反硝化微生物活性及丰度之间的关系，探究土壤PAHs反硝化降解的微生物机制。结果表明，该土壤中，仅细菌多样性与PAHs污染呈显著负相关，PAHs能显著影响土壤细菌及真菌群落组成，而古菌对PAHs污染不敏感。该区域土壤中含有bssA（benzylsuccinate synthase gene）基因的主要类群与Geobacter、Thauera和Azoarcus具有较近的亲缘关系，可通过硝酸盐、硫酸盐及铁还原代谢过程降解土壤PAHs。土壤nirK及nirS基因的丰度均与土壤PAHs含量呈显著负相关（nirK: R2 = 0.54, P < 0.05; nirS: R2 = 0.58, P < 0.05），但nirS型假单胞菌的丰度与土壤PAHs含量呈正相关，表明该菌属可能在土壤PAHs的反硝化代谢中起到重要作用。添加硝酸根能增强土壤的反硝化活性，但对土壤芘和蒽的厌氧降解均无显著的促进作用，同时添加硝酸根和硫酸根能够显著促进土壤芘的厌氧降解。芘对土壤细菌群落结构无显著影响，而蒽能明显改变土壤细菌的群落组成。获取到能够在反硝化条件下有效降解萘和菲的富集菌群，它们对萘和菲的降解率均接近50%。两种富集物中的优势菌属均含有Pseudomonas，再次表明该菌在土壤PAHs的反硝化代谢中具备重要的潜在作用。对富集培养液中萘降解过程中各物质量变化的研究表明，反硝化过程中NO3-还原和随后的NO2-还原过程均能与萘的降解相偶联。在菲污染土壤中，DMPP可以通过抑制AOB（ammonia-oxidizing bacteria）的生长来减弱土壤氨氧化活性，DMPP可显著抑制不添加尿素处理中菲的降解，且能抑制土壤中反硝化相关功能基因的丰度，间接证实反硝化过程可能在土壤菲降解中的作用。本项目的研究结果将有助于全面认识反硝化过程对土壤PAHs污染的响应机制，并为PAHs污染的土壤修复提供一定的理论依据。

PAHs在土壤中的反硝化降解已为人们所认识，但其厌氧降解与反硝化过程的偶联及微生物机理尚不明确。本项目拟选择萘和芘两种典型的PAHs，以清洁土壤和PAHs污染土壤为研究对象，结合土壤厌氧培养和液体富集培养实验，研究反硝化条件下PAHs代谢过程中的物质转化及相关功能基因（PAHs厌氧降解及反硝化功能基因）表达量的动态变化，分别从物质转化和基因表达来探讨PAHs厌氧代谢与反硝化过程偶联的机理；之后，通过稳定同位素标记的室外土壤培养实验，采用DNA-SIP、454测序等手段，来探究土壤中直接参与PAHs反硝化代谢的细菌及反硝化菌的类群，初步探讨土壤PAHs反硝化降解在自然土壤PAHs去除中的贡献率，为进一步明确PAHs在土壤中的转化过程提供理论基础，为土壤PAHs污染治理新思路的创立提供一定的理论依据。

控制硝化和反硝化过程的产物比是实现N2O减排的重要途径之一。在我国粮食和设施蔬菜主产区华北平原，选择主要粮食作物种植体系和高投入的设施菜田土壤为研究对象,以多点长期定位试验为基础，利用引进的专用设备(土壤自动培养测定系统)，研究典型管理措施条件下硝化和反硝化过程产物比发生规律及影响因子；利用分子生物学技术，揭示不同管理方式对土壤中硝化、反硝化菌组成结构、优势种群、基因类型与基因表达的影响规律；探索利用硝化、反硝化过程的产物比，并结合田间N2O通量观测，进行氮损失定量的途径；阐明利用田间管理技术，通过降低硝化、反硝化产物比，实现本地区典型农田土壤N2O减排的调控机理。本研究将田间温室气体排放、土壤过程和相关微生物优势功能种群及基因表达有机联结起来，从理论上深入认识该区典型农田土壤N2O 的产生与调控机制；在实践上为提出适合该地区N2O 减排和控制氮素损失的水肥管理措施提供科学依据。

在我国粮食和设施蔬菜主产区华北平原，选择主要粮食作物种植体系和高投入的设施菜田土壤为研究对象,以多点长期定位试验为基础，利用引进的专用设备(土壤连续培养自动监测系统)，研究了管理措施对硝化和反硝化过程产物比发生规律的影响；利用分子生物学技术，揭示不同管理方式对土壤中硝化、反硝化菌组成结构、优势种群与基因表达的影响规律；探索利用反硝化过程产物比进行氮损失定量的可能性；提出利用田间管理技术，实现本地区典型农田土壤N2O减排途径。主要结果如下： 1）设施菜田土壤中N2O产生的主导过程是反硝化过程。在大田条件下，主要来自于硝化过程和与硝化过程相耦合的反硝化过程。硝化和反硝化过程均导致NO2-过渡性积累，与N2O的产生有显著相关。以NO2-为底物的化学反硝化也对N2O产生有一定作用，特别是在酸性土壤上。 2）分析了硝化基因（amoA）与反硝化基因（narG, nirS, nirK, nosZ）的表达。高通量测序的结果表明，在设施菜田土壤长期施用有机肥导致厚壁菌门，特别是芽孢杆菌是导致N2O排放的主要功能类群。 3）土壤反硝化产物比受氧浓度、水分含量、碳源的有效性和氮形态等因素的影响，一般在0.14~0.71之间。利用产物比并结合田间N2O的通量观测数据，可以大致估计土壤反硝化过程氮的气态损失量。 4）提出了华北大田土壤的减排措施：避免施肥造成的局部高铵浓度；在保证作物产量的前提下，用硝态氮肥代替铵态氮肥；用铵态氮肥的同时施用硝化抑制剂。 5）建立全球农田土壤N2O排放的全新数据库，明确了pH是全球N2O排放的主要控制因子之一，发展了农田N2O排放的估算方法。 本项目为提出适合该地区N2O 减排和控制氮素损失的水肥管理措施提供了科学依据。

在前基金项目基础上，发挥多学科交叉优势，拟建立用分子发光法研究环境中PAHs与溶解态有机污染物相互作用的新方法。研究有序介质对微生物降解PAHs速率的影响。研究磁效应对PAHs的分布、迁移和对有序介质加速生物降解PAHs速率的影响。揭示磁效应PAHs环境行为的机制。扩大已有优势。开拓磁效应分子发光研究新的研究和应用领域。推动学科发展。