硝化作用是氮循环的重要环节,而氨氧化是硝化作用的关键反应步骤,由两种不同的功能微生物类群氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）在有氧条件下驱动发生。AOB和AOA可利用氨氧化过程的能量同化和固定无机碳以合成自身细胞组分,由于两者的生理特性和固碳途径不同,AOB和AOA在氨氧化过程中利用碳氮的计量关系可能存在差异,但是相关研究尚未见报道。此外,温室气体氧化亚氮（N2O）作为硝化作用的副产物主要由氨氧化过程产生,与AOB不同的是,AOA驱动的氨氧化过程中产生N2O的机制尚存争议,两者各自对N2O产生的贡献也可能存在差异,是一未解决的科学问题。河口是河海水混合区,盐度和营养物质变化剧烈,是研究不同微生物种群对环境的理化性质响应的理想生态系统。由于受到强烈的人为活动影响,珠江口的富营养化程度不断加大,其上游区域常发生较强的硝化作用,并伴随N2O的过饱和释放。但是,目前对珠江口上游N2O产生的过程及其产量的研究尚有诸多不明之处。由此,本论文通过研究珠江口 AOB和AOA的分布、活性及其对环境因子的响应,结合纯菌株和现场培养实验,比较了两者在氨氧化过程中的碳氮利用比率和碳氮稳定同位素分馏效应,旨在揭示AOB和AOA在氨氧化反应过程中的碳氮计量关系,探讨AOB和AOA对N2O生产的相对贡献。主要研究内容和结果总结为以下3个部分:（1）基于2014年7月和2015年7月的航次调查,以Bacterial 16S rRNA、Archaeal 16S rRNA、β-amoA、arch-amoA和nirS基因为细菌、古菌、AOB、AOA和反硝化细菌的生物标记物,通过荧光qPCR技术和反转录cDNA的方法,分析了微生物在珠江口的分布和活性,并探讨了影响珠江口水体中AOB和AOA分布及活性的环境调控因子。珠江口微生物种群结构存在空间变化,主要受水团混合影响。河口上游,细菌相对于古菌占优势,但其中的AOB与AOA丰度在同一量级水平,表征AOB和AOA功能活性的cDNA在同一量级。河口中游,包括AOB在内的细菌丰度降低,而AOA等古菌的丰度增加,AOA-cDNA绝对量略高于AOB-cDNA。河口下游,AOA成为优势氨氧化功能微生物,AOA-cDNA绝对量超过AOB-cDNA。以cDNA/DNA的比值表征单细胞活性,在整个珠江口,AOB的单细胞表达活性均高于AOA的单细胞表达活性。nirS基因的分布无明显区域差异。综合环境因子对AOB和AOA分布及活性的影响,两者对环境的适应特征可以概括为:AOB适应分布于低盐、富营养、NH3/NH4+底物浓度高、低溶解氧（DO）和高浓度悬浮颗粒物（TSM）的环境中,而AOA更适应具高盐、低营养盐和NH3/NH4+浓度低（<1μM）的海洋环境。（2）基于2014年7月的珠江口航次,利用δ13C分析颗粒物来源。根据AOB和AOA的单细胞粒级特征,设计分粒级实验以区分水体环境中AOB和AOA的粒级分布和活性表达特征,建立端元值计算模式,解析分级颗粒物的C/N 比值及δ13C组成。此外,结合AOB纯菌株的文献研究结果,设计了 AOA纯菌株Nitrosopumilus maritimus SCM1的培养实验,解析AOB和AOA在氨氧化过程中对碳氮利用及同位素分馏效应（ε）的差异,并与现场计算结果进行比较和验证。珠江口淡水（陆源）区域以AOB为优势功能微生物,AOA为海洋主导功能微生物。AOB主要以颗粒结合态分布和表达活性,AOA在高盐、低TSM的海水环境中,以较高比例的游离态分布和表达活性。AOB-cDNA的丰度低于AOA-cDNA,颗粒结合态AOB的单细胞表达活性高于AOA。此外,以amoA基因占16S rRNA基因的比例为端元值解析了以AOB或AOA为主成分的分粒级颗粒物的POC-δ13C组成信息,结果表明,δ13CAOB 比δ13CAOA更负,这可能是由不同环境中底物DIC-δ13C的差异或AOB和AOA使用的不同无机碳同化途径导致的。封闭培养体系内,AOA菌株N.maritimus SCM1生长达到稳定后期时的C/Nbulk值为6.0,该值高于AOB纯菌株的C/Nbulk值（3.1-5.0）。利用“瑞利分馏模型”计算出AOA对碳的同位素分馏效应εbulk/DIC为19.4‰,该值低于陆源β-AOB 纯菌株（Nitrosomonas europaea）的碳同位素分馏系数εbulk/DIC（20.0-30.0‰）。N.maritimus SCM1 对氮的同位素分馏 15εNH4+为 25.2‰,低于陆源AOB（N.europaea）的15εNH4+（32.8-38.2‰）。实验室纯菌株研究表明,AOB和AOA的总生物质碳氮组成（C/Nbulk）,碳、氮的同位素分馏效应（εbulk/DIC和15εNH4+）的差异,可能取决于硝化菌物种的多样性,及其生存环境中的无机碳、氮底物的差异或可利用性。同时,利用开放体系“稳态分馏模型”估算了珠江口 AOB主导的淡水端元εbulk/DIC 为 23.7-31.0‰,AOA 主导的海水端元εbulk/DIC为20.6-23.3‰,分别与陆源AOB纯菌株和AOA纯菌株的研究结果有较好的一致性。（3）基于2015年7月的珠江口航次调查,在上游缺氧区实施现场培养实验,解析了无机氮形态转化,评估了硝化过程中的N2O产量,并对AOB和AOA在珠江口上游N2O生产中的贡献做了初步探讨。虎门上游,硝化过程是N2O产生的主要途径。AOB的单细胞N2O产量高于AOA,氧气浓度、AOB和AOA的细胞丰度共同影响了 N2O产量。广州上游,缺氧或无氧条件下,硝化与反硝化过程有耦合或同时发生的潜能。AOB和AOA对N2O产量的贡献与N2O总产量不平衡,有其他过程贡献了 N2O产生。综上所述,本论文揭示了珠江口水体环境因子对微生物种群分布和功能活性的影响和调控,比较了 AOB和AOA在氨氧化过程中的碳氮利用和同位素分馏效应（ε）的差异,验证了珠江口上游缺氧区硝化过程及N2O的产生,并初步揭示了 AOB和AOA对N2O产量的相对贡献。