硝化作用在全球氮循环过程中起着重要的作用,氨氧化过程是硝化作用的第一个反应步骤,也是整个过程的限速步骤和中心环节。氨氧化细菌和氨氧化古菌是整个自然界氨氧化作用的主要参与者。氨氧化细菌首先在氨单加氧酶(ammonia monooxygenase, AMO)的催化下将氨氧化成羟氨,再由羟氨氧化还原酶(HAO)催化将羟氨氧化成亚硝酸。氨氧化古菌也已被证实含有氨单加氧酶(AMO)和含Cu的蛋白质来完成氨氧化过程。因此氨单加氧酶(AMO)是整个硝化反应过程中的关键酶。氨单加氧酶(AMO)是由3个不同亚基组成的三聚体膜结合蛋白,3个亚基的分子量Mr分别为27×103(AmoA),38×103(AmoB)和31.4x103(AmoC)。本次研究从氨氧化细菌关键酶的基因(amoA)表达入手,研究氨氧化细菌和氨氧化古菌的代谢活性,建立代谢活性和重金属之间的相互关系,这对于建立土壤环境质量的生物学评价方法具有重要的理论意义和应用价值。土壤重金属的污染已经成为世界各地重要的环境问题,主要来源于农业(如,施肥、污水灌溉、农药等)和工业生产(如金属矿的开采和冶炼等),使土壤的重金属的含量达到原始土壤的几倍甚至几十倍,远远超出了土壤环境的承载力,对动物、植物和微生物产生很大危害,严重威胁到生态系统的稳定性以及人类的安全。本文根据前期研究结果,筛选出对土壤硝化速率敏感的重金属铜和镉进行研究,供试土壤选用中国典型土壤之一(潮土,因为潮土氨氧化菌群和硝化菌群丰富,土壤肥沃,并且是重要的耕作土壤类型),研究不同浓度重金属铜、镉对潮土潜在硝化速率的影响,还研究了这两种重金属对氨氧化菌群的影响,明确了重金属与土壤氨氧化菌群相互作用关系。本文应用了土壤DNA提取,RNA提取,实时荧光定量PCR等分子生物学手段,对土壤氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA) amoA功能基因的数量进行定量分析,以期阐明重金属对潮土氨氧化菌群的作用机理,明确氨氧化菌群对重金属污染的响应机制,从而为重金属污染的环境生物学评价方法的建立奠定基础。本文的研究结果如下：(1)重金属Cu对供试土壤潜在硝化速率(PNR)的影响明显,并达到显著水平,随着Cu浓度的增加,PNR逐渐降低。在诱导时间为56d时重金属Cd对PNR表现为显著的抑制。(2)在DNA水平上,潮土氨氧化细菌和氨氧化古菌amoA基因数量并未随着重金属铜离子浓度的增加而发生显著变化,氨氧化古菌随着镉离子浓度增加发生显著的变化。然而,氨氧化菌群在DNA水平上对重金属的响应并不敏感,需要的诱导时间更长。因此,氨氧化菌群amoA DNA水平的变化不能实时反应重金属的污染程度。(3)在RNA水平上,潮土中氨氧化细菌和古菌在Cu胁迫时间为3d时,均随着铜离子浓度增加而显著的被抑制,氨氧化古菌在Cu浓度1200mg kg-1抑制作用明显,而氨氧化细菌在Cu浓度100mg kg-1抑制作用明显。由此说明,氨氧化细菌对重金属Cu更为敏感。氨氧化古菌和细菌amoA基因活性随着Cd离子浓度增加,并没有发生显著的变化。因此,氨氧化菌群可以作为重金属Cu污染的指示菌群。(4)荧光定量PCR结果表明,氨氧化古菌丰度大于氨氧化细菌,即供试土壤中氨氧化古菌的数量更为丰富,这也就说明氨氧化古菌在土壤硝化作用过程中的重要作用不容忽视。然而,在供试土壤潮土中,氨氧化细菌的amoA基因活性高于氨氧化古菌,即氨氧化细菌在土壤硝化作用过程中更为活跃。