近日，我校生物地质与环境地质国家重点实验室李平研究员（教授）团队与厦门大学、阿尔贝塔大学和广东以色列理工学院合作在环境科学领域Nature Index期刊《Water Research》（IF13.4）连续发表系列研究成果“An overlooked influence of reactive oxygen species on ammonia-oxidizing microbial communities in redox-fluctuating aquifers”和“Transition of source/sink processes and fate of ammonium in groundwater along with redox gradients”。这两篇论文第一作者分别为博士生王和林、韩丽丽，李平研究员分别为唯一通讯作者和共同通讯作者。

地下水是重要的淡水资源。近几十年来，地下水中氨氮浓度超标问题日趋严重，氨氮的源/汇及转化过程十分复杂，是氮循环的关键环节和限速过程。厘清并量化地下水氨氮的源汇过程并解析其转化机制具有重要意义。

自然环境中的活性氧（ROS）由于其高反应性，可以影响多种元素的生物地球化学过程。然而在ROS广泛分布的氧化还原-波动带地下环境中，ROS对好氧氨氧化菌群演替的影响及其机制还未知。该研究通过对典型地下水流场中氨氧化细菌和氨氧化古菌的演替规律调查分析，并结合室内微生物富集物/纯培养物的微宇宙模拟实验，发现ROS是控制氧化还原波动带含水层中好氧氨氧化菌群演替的重要环境因子。在ROS水平较低的地下水补给区，好氧氨氧化微生物以氨氧化古菌（AOA）为主；而在ROS水平较高的排泄区，则以氨氧化细菌（AOB）和异养硝化好氧细菌（HNB）为主。室内实验进一步验证了野外调查结果，随着ROS的增加，伴随着氨氧化和抗氧化系统相关基因表达的上调或下调，氨氧化菌富集物中的优势菌群也由AOA Nitrosopumilus转变为AOB Nitrosomona（图1）。

图1. 好氧氨氧化富集产物在不同浓度ROS条件下的演替微宇宙实验

从原位地下水环境中筛选出的氨氧化纯菌培养实验发现，好氧氨氧化菌的氨氧化和抗氧化能力在不同的ROS浓度中存在显著差异。ROS降低了AOA菌株Nitrososphaera viennensis PLX03的amoA基因表达，并抑制了氨氧化能力。而在与环境水平接近浓度的ROS作用下，AOB菌株Nitrososphaera viennensis PLL12和HNB菌株Nitrososphaera viennensis PLL01的过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性升高，抗氧化基因katG、sodA、ahpC和ahpF显著上调（图2）。该研究拓展了我们对氨氧化菌在氧化还原波动带地表/地下环境中生态位的认识，为深入理解地下水氨氧化转化过程的提供了科学依据。

图2. ROS作为另一个重要环境因子影响好氧氨氧化微生物的分布

地下水中NH₄⁺含量（储库）的转化过程复杂，多过程同时发生且其转化速率随着氧化还原条件变化而变化，常规的监测技术难以定量化评估地下水NH₄⁺的累积机制。我们的研究通过¹⁵N同位素示踪技术，量化了决定NH₄⁺储库的多个源汇转化过程，包括生产过程（矿化、硝酸盐异化还原成氨DNRA）和消耗过程（硝化和厌氧氨氧化）。沿地下水流场，根据氧化还原主要参数如氧化还原电位、NH₄⁺、NO₃^-的浓度等，从补给区至排泄区将研究区分为I区（氧化区）、II区（中度还原区）和III区（强还原区）。根据同位素示踪计算出的各氮转化过程速率显示，地下水中的NH₄⁺主要源于有机质矿化，在整个研究区域DNRA占总的NH₄⁺产生比例小于2%. 有机质矿化作用随地下水流场中生物可利用含氮化合物量的增加而增强，从补给区至排泄区，呈现明显的梯度，形成一个连续的反应链。在I区，NH₄⁺主要通过硝化过程转化为NO₃^-，而在II区和III区，NH₄⁺主要通过厌氧氨氧化过程转化为N₂（图3）。这些结果表明，只有在氧化条件下NH₄⁺的消耗量才能大于生产量，并暗示地下水补给区至排泄区的流动过程中，NH₄⁺将逐步积累并长期保留在下游的强还原性地下水中。该研究对地下水NH₄⁺的源汇过程以及其累积机制的解析，提升了我们对地下水氮循环的认识，同时为地下水高氮的污染治理提供了新的理论依据。

图3. 地下水中NH₄⁺的源汇和流转过程随氧化还原梯度变化的概念图

上述研究得到了国家自然科学基金（No. 42177068、91851115、91851209和41721005）和生物地质与环境地质国家重点实验室自主课题（No. GBL12201）资助，以及中科院生态环境中心邓晔研究员生信分析平台和袁松虎教授团队的帮助。

论文信息：

标题：An overlooked influence of reactive oxygen species on ammonia-xidizing microbial communities in redox-fluctuating aquifers. Water Research. 2023: 119734.

作者：Helin Wang, Ping Li*, Liu Xiaohan, Zhang Jing, Stein Lisa Y, and Gu Ji-Dong.

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135423001690

标题：Transition of source/sink processes and fate of ammonium in groundwater along with redox gradients.

作者：Li-Li Han, Helin Wang, Lianghao Ge, Min Nina Xu, Jin-Ming Tang, Li Luo, Ping Li*, Shuh-Ji Kao*

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135423000350