長久以來，人們一直認(rèn)為，氨的氧化只在有氧條件下發(fā)生。新近研究發(fā)現(xiàn)在缺氧/厭氧條件下，氨也可以由厭氧氨氧化菌以亞硝酸為電子受體直接氧化為氮?dú)�，完成封閉的產(chǎn)氮?dú)庋h(huán)，同時(shí)避免溫室氣體N2O產(chǎn)生。它打破了人們對傳統(tǒng)氮循環(huán)模式的認(rèn)識，受到國際社會的廣泛關(guān)注。
目前厭氧氨氧化在自然界的研究還局限于海洋生態(tài)系統(tǒng)，且已探明厭氧氨氧化反應(yīng)的產(chǎn)氮?dú)饬浚?gt;50%）要高于反硝化反應(yīng)。在此之前，厭氧氨氧化反應(yīng)是否在陸地生態(tài)系統(tǒng)也發(fā)揮重要作用尚不明確。
針對這一問題，中科院生態(tài)環(huán)境中心水環(huán)境水生態(tài)研究組祝貴兵副研究員在尹澄清、單保慶研究員的指導(dǎo)下，通過與國內(nèi)外科學(xué)家的合作，從生物地球化學(xué)、微生物生態(tài)學(xué)以及環(huán)境科學(xué)等多個(gè)角度開展深入研究，取得了系列研究成果，發(fā)表在相關(guān)領(lǐng)域的國際知名雜志。
稻田是陸地生態(tài)系統(tǒng)N2O的最大釋放源之一。以往研究認(rèn)為，稻田中氮的流失主要包括氨揮發(fā)、徑流、植物吸收等過程。祝貴兵通過田間實(shí)驗(yàn)證明，在典型高氮污染的稻田土壤中存在大量的厭氧氨氧化菌并發(fā)生顯著的厭氧氨氧化反應(yīng)。在研究地點(diǎn)，通過厭氧氨氧化反應(yīng)流失的氮量占總氮?dú)馍闪康?%-37%，每年每平米損失的氮素高達(dá)76g。這是厭氧氨氧化反應(yīng)首次報(bào)道于稻田土壤生態(tài)系統(tǒng)（ISME Journal. 2011. 5(12): 1905-1912）。
在研究組多年岸邊帶研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)厭氧氨氧化的反應(yīng)底物以及岸邊帶的生物地球化學(xué)特征和景觀異質(zhì)性特點(diǎn)，提出湖泊岸邊帶可能是厭氧氨氧化反應(yīng)的熱區(qū)這一假設(shè)。首先在白洋淀一處典型的岸邊帶系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)岸邊帶沉積物是厭氧氨氧化反應(yīng)的熱區(qū)和厭氧氨氧化菌的高豐度區(qū)域；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全湖大面積采樣并進(jìn)一步證實(shí)，且得到的厭氧氨氧化活性和豐度值均高于已報(bào)道的速率和豐度，占總氮?dú)馍闪康谋戎颠_(dá)到11-35%；另外還發(fā)現(xiàn)，厭氧氨氧化的反應(yīng)熱區(qū)能夠顯著降低N2O的釋放。相關(guān)成果發(fā)表在Nature Geoscience上（Nature Geoscience. 2013. Online Publication. DOI: 10.1038/NGEO1683）。.
自然界厭氧氨氧化反應(yīng)速率與厭氧氨氧化菌豐度和種群結(jié)構(gòu)都密切相關(guān)。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，河流表層具有很大的氨氮通量，而地下水系統(tǒng)是亞硝酸鹽通量的最大載體，由此推測河流岸邊交錯(cuò)帶也可能發(fā)生顯著的厭氧氨氧化反應(yīng)。以珠江河流岸邊帶沉積物為研究對象，進(jìn)行了不同時(shí)空變化條件下的相關(guān)研究。發(fā)現(xiàn)盡管河流岸邊帶具有非常高的厭氧氨氧化菌的豐度，還與種群結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，但是厭氧氨氧化反應(yīng)速率并不與其豐度嚴(yán)格線性相關(guān)（Environmental Science & Technology. 2012. 46: 8834-8842）。
綜合以上自然濕地研究的成果，開發(fā)了人工濕地通過厭氧氨氧化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)N2O減排的方法。系統(tǒng)穩(wěn)定后，厭氧氨氧化反應(yīng)速率提高了10倍，占總氮?dú)馍闪康谋戎堤岣吡?倍達(dá)到42%，而且減少了30%的N2O排放。成果發(fā)表于Environmental Science & Technology（2011. 45(23): 9951-9958）。
以上研究得到了國家自然科學(xué)項(xiàng)目、環(huán)境水質(zhì)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自由探索項(xiàng)目、中科院青年人才項(xiàng)目和北京市科技新星的資助。
