近日，我校生物地質與環境地質國家重點實驗室李平研究員（教授）課題組與廈門大學和中國科學院城市環境研究所合作，在環境生態學領域頂級期刊《The ISME Journal》上發表了題為“Nitrogen fixation and diazotroph diversity in groundwater systems”的研究論文。中國地質大學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轉化為生物可利用N的過程，在維持全球N循環中具有重要作用。地下水是重要的淡水資源，農業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-的轉化。然而，目前學界對地下水系統中的BNF過程仍知之甚少。本研究采用15N2同位素示蹤、單細胞拉曼以及宏基因組/轉錄組等技術，通過原位表征并結合室內驗證，發現了地下水系統中存在大量有活性的固氮微生物。
圖1. 地下水系統中微生物固氮及其多樣性概念圖
通過對地下水中固氮微生物的活性、多樣性和生物地球化學網絡等研究發現，原位地下水中BNF速率高達585.4nmol N L-1 h-1 （圖2A），在單細胞水平上也顯示出了細胞色素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等異養微生物是地下水中活性固氮菌的主要類群。
圖2. 原位地下水和固氮富集物/純培養物的固氮活性
此外，BNF與硝化、硫/砷代謝、亞鐵轉運和甲烷氧化等過程緊密相關（圖3），地下水中的有機質以及硫/鐵/錳的還原過程可能是驅動微生物固氮的能量來源，而微生物固氮為相關的生物地球化學過程提供氮源。本研究從多角度證明了BNF是地下水系統重要的N循環環節，完善了我們對地下水N循環的認識，對深入理解相關生物地球化學過程具有重要意義。
圖3. 地下水固氮過程的生物地球化學網絡
上述研究得到了國家自然科學基金（No. 42177068、91851115、91851209 和 91851101）資助，以及中科院生態環境中心鄧曄研究員生信分析平臺、廈門大學高樹基教授和中國科學院城市環境研究所崔麗研究員團隊的協助。
論文信息：
標題：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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