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氮是组成核酸和蛋白质的必要元素之一,是许多生态系统的主要限制性营养元素。在自然界中,微生物驱动着氮素生物地球化学循环过程,形成了复杂的氮循环网络。近十多年来,随着免培养的分子生物学技术的发展,包括厌氧氨氧化(Anammox)、完全氨氧化(Comammox)等若干新的氮转化过程,和氨氧化古菌(AOA)等一些原本未知的氮转化微生物被发现,挑战了人们以往对氮素生物地球化学循环的理解。因此,有关环境中氮生物地球化学循环过程、相关功能微生物群落多样性及其影响机制的研究,已成为环境科学研究的国际前沿性课题。目前,学者们已经对全球陆地和水生态系统氮循环过程,及其功能微生物多样性开展了大量的研究。然而,关于极地生态系统,特别是南极苔原和湖泊环境中氮转化及其功能微生物多样性特征,人类还知之甚少,南极极端环境中是否存在厌氧氨氧化过程及其在氮循环中的作用,还未见有文献报道。因此,在全球变化的背景下开展南极环境氮循环过程与功能微生物多样性的研究尤为重要。鉴于此,本文以西南极法尔兹半岛地区和北极新奥尔松地区作为研究区域,采用泥浆实验结合15N稳定同位素示踪方法,以及克隆文库、宏基因组、荧光定量PCR等分子生物学方法,系统研究了南极与北极苔原土壤、湖泊与海洋沉积物中厌氧氨氧化、反硝化、硝化、硝酸盐异化还原(DNRA)等氮转化的速率及其影响因素,分析了厌氧氨氧化细菌(AnAOB)、氨氧化细菌(AOB)与氨氧化古菌(AOA)、反硝化细菌等氮转化微生物群落的分布和多样性变化规律及其影响因素;综合解析了它们对极地苔原和湖泊环境氮循环过程的影响;探讨了环境因子和海洋动物活动对极地环境氮转化过程及其功能微生物的影响机制。主要研究内容与研究结果概括如下:1.南极苔原土壤氨氧化过程及相关微生物群落多样性变化特征采集了南极法尔兹半岛和阿德雷岛五个不同生态区苔原土壤,包括海豹聚居地土壤(SS)、企鹅聚居地土壤(PS)和邻近的苔原土壤(PL)、苔原沼泽土壤(MS)和高地背景苔原土壤(BS),在室内研究了苔原土壤氨氧化速率、氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)群落的组成和多样性分布规律,及其影响因素。结果表明:苔原土壤PS、SS和PL中氨氧化细菌(AOB)的丰度显著高于氨氧化古菌(AOA),而MS和BS中AOB和AOA的丰度相似;企鹅和海豹的活动导致了 AOB与AOAamoA基因丰度比呈现出巨大波动(1.5×102～3.2×104)。在15℃培养条件下,苔原土壤氨氧化速率(PAOR)的变化范围为0.64～9.91 nmol N g-1 h-1,企鹅和海豹聚居地土壤(SS,PS)中的PAOR显著高于苔原土壤PL、MS和BS(P<0.05),且与AOB amoA基因丰度显著正相关(P<0.01),表明AOB在动物聚居地土壤的硝化作用中起到了更重要的作用。基因系统发育分析表明:苔原土壤中AOA和AOB分别来自Nitrososphaera和Nitrosospira谱系。企鹅或海豹活动显著改变了土壤AOA和AOB群落的组成。海豹聚居地(SS)和企鹅聚居地(PS)土壤中AOB amoA基因的多样性,高于非动物聚居地苔原土壤(PL、MS)。AOB和AOA丰度及其群落组成与海洋动物活动有关的土壤生物地球化学过程改变(如:土壤碳氮比的改变、动物排泄物输入的总氮、氨氮和磷)有关。总体上,氨氧化活性及功能微生物菌群动态受控于海洋动物活动影响的土壤生物地球化学特性的改变。2.南极苔原土壤Anammox、反硝化和DNRA过程及其对氮循环的贡献通过宏基因组测序发现了南极苔原土壤中存在厌氧氨氧化菌(AnAOB)。企鹅聚居地土壤中AnAOB占总测序细菌的0.18%;其中Candidatus Kuenenia stuttgartiensis的数量最多,占总 AnAOB 的 61.9%。苔原土壤 Anammox 16Sr RNA基因丰度为(9.79±0.11)×106～(1.61±0.08)×108copies g-1soil,与土壤pH值呈显著正相关(P<0.01);在4℃培养条件下,土壤Anammox速率为0.02～2.08 nmol Ng-1 h-1,与土壤中氨氮(P<0.01)、总磷(P<0.05)和总硫(P<0.01)含量呈显著正相关,而与土壤碳氮比呈显著负相关(P<0.01)。苔原土壤反硝化细菌nirS基因丰度为(1.21±0.07)×106～(2.22±0.10)×108 copiesg-1 soil,与土壤氨氮含量呈正相关(P<0.05),而与土壤含水率(P<0.05)、碳氮比(P<0.01)和总碳含量(P<0.01)呈负相关。反硝化速率为0.16～39.79 nmol Ng-1h-1,与土壤pH值(P<0.01)及硫含量(P<0.01)呈正相关,与土壤碳氮比呈负相关(P<0.05)。Anammox过程对土壤脱氮作用的贡献率为3.8%～62.0%,受到与动物活动相关的土壤C:N(P<0.05)和硝氮/氨氮比值(P<0.01)的影响,在C:N高的非动物活动区贡献率较高,动物活动区土壤脱氮则以反硝化过程为主。苔原土壤硝酸盐异化还原成氨(DNRA)速率为0.1～10.55 nmolNg-1h-1,与土壤磷(P<0.01)、硫(P<0.01)含量呈正相关,与土壤C:N呈负相关(P<0.05),贡献了土壤总硝酸盐减少的3.5%～74.1%,并在非动物活动区苔原土壤中与Anammox过程存在耦合作用。3.南极湖泊沉积物氮转化及其相关微生物群落多样性变化特征使用15N-同位素示踪和分子生物学方法,分析南极法尔兹半岛和阿德雷岛G湖、Y3湖、Y4湖、长湖和燕鸥湖沉积物中厌氧氨氧化、氨氧化、反硝化和DNRA过程的速率及其功能微生物多样性变化特征。发现在南极G湖、Y3湖、Y4湖、长湖和燕鸥湖沉积物中存在Anammox菌,测序结果表明这些序列多与属于Anammox菌’Brocadia’ 属的序列相关;Anammox 1 6S rRNA基因丰度范围为(1.09±0.06)× 106～(1.33±0.05)× 108 copies g-1 sediment,其群落结构主要受到 pH的影响(P<0.05)。在G湖、Y3湖和Y4湖沉积物中检测到亚硝化螺菌属(Nittosospira)AOB;在Y2湖和燕鸥湖沉积物中,存在属于group 1.1b Nittososphaera cluster的AOA;RDA分析表明C:N 比是影响AOA、AOB空间分布的关键因素(P<0.05)。沉积物四种氮转化过程中,DNRA活性最强,在4℃培养条件下反应速率为0.11～0.73 nmol N g-1 h-1,可能与低有机分解速率造成的沉积物中高有机碳含量有关。湖泊沉积物中Anammox速率为0.05～0.49 nmol Ng-1h-1,与DNRA过程相耦合提供了高达38.1%～91.4%的脱氮贡献比,在南极湖泊氮循环过程中发挥了不可忽视的作用。4.北极王湾海洋沉积物中氮转化及其相关微生物群落多样性变化特征王湾沉积物中检测到的AnAOB均属于浮霉菌门的Candidatus Scalindua属,平均基因丰度为(1.30±0.82)× 107 copies g-1 sediment;AOA 大多属于 group 1.1a Nitrososphaera cluster,AOB序列均属于β-变形菌亚纲的(AOA)亚硝化螺菌属(Nitrosospira)。AOB amoA基因丰度(1.61±1.03)× 108 copiesg-1,高于沉积物中AOA amoA的基因丰度(6.42±5.52)× 105copiesg-1 sediment。北极王湾由内向外,Anammox 16SrRNA 基因(P<0.01)、nirS 基因(P<0.05)和 AOB amoA 基因(P<0.01)丰度均与沉积物中TOC/N 比值呈正相关。在4℃培养条件下,沉积物中Anammox速率为(0.46±0.11)nmol N g-1h-1,对脱氮作用的贡献率为48.5%～62.7%。沉积物中DNRA速率为(0.90±0.62)nmol Ng-1h-1,占沉积物总硝酸盐还原的27.3%～67.3%,且与沉积物中氨氮含量呈负相关(P<0.05)。硝化速率为(0.69±0.36)nmol N g-1 h-1,与沉积物中总碳含量呈负相关(P<0.05)。5.北极苔原土壤氮转化及其相关微生物群落多样性变化特征发现北极新奥尔松苔原土壤中Anammox16SrRNA基因丰度很高,平均值为(8.48±8.16)×107copiesg-1soil,但未检测到Anammox的活性。苔原土壤中AOA amoA 基因丰度(9.09±0.91)× 106 copies g-1 soil,高于 AOB amoA 的基因丰度(3.20± 1.31)× 106 copies g-1 soil(P<0.05)。在 4 ℃培养条件下,土壤反硝化速率为(3.03±1.79)nmol Ng-1h-1,高于土壤硝化速率(1.16±0.05)nmol Ng-1h-1。分析显示土壤含水率(P<0.05),以及总碳(P<0.01)、总有机碳(P<0.05)、总氮(P<0.05)、氨氮(P<0.05)含量是决定新奥尔松苔原土壤反硝化活性的关键因素。土壤中DNRA速率为(0.33±0.17)nmol N g-1h-1,与土壤硫含量相关(P<0.05),推测与无机化能自养硫细菌有关。相关分析表明:由密闭箱法测得的苔原土壤N20通量(7.6～14.6μg(N2O)m-2 h-1)与土壤硝化速率呈显著正相关(P<0.01),而与反硝化速率关系不显著;表明新奥尔松苔原土壤N20的源汇功能主要由硝化过程有关的微生物驱动。