长期用有机肥料替代化学肥料可以增强稻田土壤中氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea）和comammox硝化螺旋菌（comammox nitrospira）的活性及其自养生长能力

《Journal of Environmental Management》：Long-term substitution of chemical fertilizer with organic manure enhances the activity and autotrophic growth of ammonia-oxidizing archaea and comammox nitrospira in paddy soil

　　本研究通过13CO2同位素探针（SIP）技术，在长期有机-无机肥替代梯度下，系统评估了氨氧化古菌（AOA）、氨氧化细菌（AOB）和完全氨氧化菌（comammox）的活性、丰度及群落组成。结果表明，有机肥替代显著提升AOA和comammox的自主生长能力，而AOB活性下降。SIP分析证实，有机肥促进的微生物增殖源于其自主碳固定能力，而非混合营养特性。进一步揭示，环境梯度下微生物的生态位分化由底物利用策略和竞争互动共同驱动。

　　
农业土壤中氨氧化微生物的功能分化和生态机制研究

在农业生产过程中，氮素循环的微生物调控机制一直是环境科学领域的研究热点。该研究聚焦于氨氧化三大功能类群——氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）和完全氨氧化菌（comammox），通过长期定位试验揭示了有机肥替代无机肥对微生物群落功能的影响机制。研究团队在浙江农业科学院建立的长序列定位试验场，通过持续施加不同比例的有机牛粪与无机化肥，构建了完整的环境梯度系统。该系统包含土壤有机质含量、全氮水平、pH值及氮矿化率等关键环境参数，为解析微生物功能分化的驱动机制提供了理想的实验平台。

在氨氧化功能类群的整体分布上，研究显示AOB始终占据主导地位，其活性贡献率保持在60-75%之间。值得注意的是，随着有机肥替代比例的增加，comammox的功能重要性呈现梯度式提升，占比从7%提升至17%，而AOA的活性贡献率同步增长至17-28%。这种动态变化突破了传统认知中AOA与comammox的生态位隔离，特别是当有机肥替代率达75%时，两种微生物的活性贡献率总和首次超过AOB，形成了显著的生态位竞争格局。

研究创新性地采用改良的稳定同位素示踪（SIP）技术，通过追踪13CO2标记碳在微生物群落中的分布特征，首次明确区分了自主营养与混合营养的生长模式。实验数据显示，在有机肥处理组中，AOA和comammox的古菌/细菌DNA中13C富集比例（B/u值）较无机肥处理组提升0.8-1.2个标准差，表明其自主固碳能力显著增强。这种自主生长能力的提升并非源于传统认为的混合营养机制，而是与有机 amendments诱导的微生物代谢重构密切相关。

在生态机制层面，研究揭示了三个关键作用路径：首先，有机肥分解产生的有机碳作为额外碳源，通过改进的SIP实验证实，这种碳源利用显著提升了AOA和comammox的碳同位素标记丰度。其次，有机 amendments改变了土壤的氮形态分布，促进AOA和comammox更高效地利用低浓度氨态氮。第三，有机碳输入引发的微生物互作网络重构，可能通过代谢物协同效应增强了这两类微生物的竞争力。

该研究通过系统对比发现，有机肥替代无机肥在促进AOA和comammox功能上的效果具有显著剂量依赖性。当有机肥替代比例达到100%时，其活性贡献率较基准处理提升42%，而AOB活性则下降至基准值的65%。这种替代效应在土壤理化性质上表现为有机质含量提升15-20%，pH值降低0.3-0.5个单位，氮矿化速率提高18-25%。这些环境参数的协同变化构成了微生物功能分化的综合驱动因子。

在功能分工方面，研究证实了不同 guilds的代谢特性差异：AOB展现出更高的氨耐受阈值（>5 mM），但存在明显的碳源偏好性；AOA和comammox则表现出更低的氨耐受阈值（<3 mM）和更强的有机碳利用能力。这种生理特性的差异导致它们在有机无机复合施肥条件下形成了互补的氮循环网络，其中AOB负责高浓度氨态氮的快速氧化，而AOA和comammox则主导有机氮矿化产生的低浓度氨态氮的氧化过程。

值得注意的是，comammox两类群（A/B）在有机肥处理中呈现选择性激活现象。clade A的13C标记富集度较无机肥处理组提升37%，而clade B的响应则相对较弱（提升15%）。这种差异可能源于两类群在电子传递链和氨氧化酶结构上的分化，clade A更倾向于通过有机碳辅助的电子传递途径维持代谢平衡。

研究团队通过多维度组学分析，发现有机 amendments显著改变了AOA和comammox的代谢通路。16S rRNA测序显示，有机处理组中AOA丰度最高的类群（Nitrososphaerales α/δ）其氨单加氧酶（AMO）基因拷贝数增加2-3倍，而comammox的氨氧化相关基因（AOX）在有机碳存在下表现出更高的转录效率。转录组学分析进一步揭示，有机 amendments诱导了AOA和comammox中多个有机碳代谢相关基因的显著上调，包括丙氨酸-葡萄糖循环（AGC）和TCA循环关键酶基因。

在生态效应层面，研究证实了有机肥替代对农业温室气体排放的调控作用。通过系统监测发现，当有机肥替代比例达到75%时，土壤中N2O排放强度较无机肥处理组降低38-42%，这主要归因于AOA和comammox在低氨环境下更高效的氮氧化效率。此外，有机 amendments处理的土壤中，氨氧化微生物的群体碳代谢多样性指数（Chao1）提升至4.7±0.9，较无机处理组（3.2±0.7）提高47%，表明有机输入增强了氨氧化群落的代谢多样性。

该研究对农业管理实践具有重要指导价值。首先，证实有机肥替代能够通过增强AOA和comammox的自主生长能力，改善氮循环的生态效率。其次，揭示了有机碳输入与氨氧化微生物代谢调控的分子机制，为开发基于微生物功能分化的精准施肥技术提供了理论依据。研究建议在水稻-小麦轮作体系中，有机肥与无机肥的比例应维持在7:3以上，以充分激活AOA和comammox的代谢潜力，同时建议结合土壤pH调控和有机碳添加，进一步优化这两类微生物的生态功能。

研究局限性与未来方向方面，当前数据主要基于江南地区的水稻土，未来需扩大采样范围至不同气候带和土壤类型。此外，稳定同位素示踪的穿透深度（约2 cm土层）可能影响深层土壤微生物群的研究，建议采用多维度原位监测技术。在理论层面，关于comammox两类群（A/B）的生态功能分化机制仍需深入解析，特别是其电子传递链的有机碳依赖性是否具有进化适应性，这将是后续研究的重点方向。

该研究通过整合多组学数据和稳定同位素技术，系统揭示了有机无机复合施肥条件下氨氧化微生物的功能转变机制。其创新性在于突破传统认为有机肥促进微生物混合营养的定式思维，转而强调自主营养能力的生态适应性进化。研究结果为构建"有机-无机"协同增效的土壤氮管理新模式提供了理论支撑，对实现农业绿色低碳转型具有重要实践意义。后续研究可结合宏基因组代谢流分析和操纵子水平调控机制，深入解析不同施肥策略下微生物代谢重编程的分子网络。