【摘 要】
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包气带作为生物地球化学循环系统中重要的介质空间,对缓解地下水的硝酸盐（NO3-）污染具有十分关键的意义。包气带内固、液、气三态共存,土壤理化性质复杂多变,为各种微生物的广泛分布及共存提供了充分的环境条件,是一个开放性的、动态性的生物环境系统。近年来,利用氮、氧同位素技术对包气带NO3-的来源、转化和迁移的研究已经得到了普遍关注。由微生物驱动的反硝化作用是去除包气带硝酸盐的主要途径之一,反硝化过程发
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目《反硝化过程中亚硝酸盐再氧化的氮和氧同位素分馏效应对硝酸盐同位素组成的影响研究》（项目号:41973017）； 天津市应用基础研究计划项目重点项目《应用氮氧同位素技术研究天 津河口反硝化以及厌氧氨氧 化反应机理》（项目号:19JCZDJC40700）；
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包气带作为生物地球化学循环系统中重要的介质空间,对缓解地下水的硝酸盐（NO3-）污染具有十分关键的意义。包气带内固、液、气三态共存,土壤理化性质复杂多变,为各种微生物的广泛分布及共存提供了充分的环境条件,是一个开放性的、动态性的生物环境系统。近年来,利用氮、氧同位素技术对包气带NO3-的来源、转化和迁移的研究已经得到了普遍关注。由微生物驱动的反硝化作用是去除包气带硝酸盐的主要途径之一,反硝化过程发生时,随着NO3-的不断消耗,氮和氧的同位素分馏效应具有明显的相似性,二者的分馏效应比值(Δδ18O/Δδ15N)遵循在土壤以及淡水生态系统中近似于0.5～0.8的线性轨迹,而在海洋系统近似于1的线性轨迹。长期以来,该类比值被认为是识别反硝化过程的一种独特信号。然而,本文通过对天津包气带土壤的反硝化过程进行研究,发现了0.71～2.24的Δδ18O/Δδ15N比值范围,部分比值明显高于陆地及淡水系统的典型反硝化识别信号。因此,本文借助16S高通量测序和荧光定量PCR扩增技术,比较了不同比值下土壤的基本理化性质和微生物多样性的差异;同时构建氮转化微生物网络,分析不同Δδ18O/Δδ15N比值下氮转化微生物菌群间的相互作用,并进一步探讨了不同氮转化过程对Δδ18O/Δδ15N比值的影响。主要研究结果如下:（1）6个采样点包气带土壤的理化性质特征具有较为明显的南北分异规律,主要表现为南部采样点土壤的p H及盐度含量最高,中部区域采样点次之,北部采样点最低。南部、中部和北部的土壤盐度在剖面的变化趋势有所不同（南部样点表层土壤盐度较低,深层出现积盐现象;北部较高盐度则出现在土壤表层,深层土壤盐度降低）。随着土壤剖面中NO3-浓度的降低,采样点中δ15N-和δ18O-NO3-均呈现出升高的趋势,且二者显著线性相关。根据Δδ18O/Δδ15N的比值结果,采样点可分为Δδ18O/Δδ15N＜1组和Δδ18O/Δδ15N＞1组。（2）不同Δδ18O/Δδ15N比值的土壤微生物群落多样性和物种数存在差异:相对于Δδ18O/Δδ15N＜1组,Δδ18O/Δδ15N＞1比值组的土壤微生物群落多样性和物种数较多;在门的分类水平上,Δδ18O/Δδ15N＞1组中的奇古菌门（Thaumarchaeota）和绿弯菌门（Chloroflexi）的相对丰度显著偏高,而变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）的相对丰度相对较低。（3）不同Δδ18O/Δδ15N比值组的氮转化微生物的分子生态网络显示:两个不同比值组的微生物网络均具有模块性和无标度的特征,且反硝化菌群均为两个网络中NO3-消耗的主要驱动力,但不同比值组的网络拓扑属性和起主导作用的氮转化过程存在差异。在Δδ18O/Δδ15N＜1网络中,反硝化和异化硝酸盐还原为铵（DNRA）是主要的氮转化过程,在包气带多变、复杂的环境因子的影响及调控下,反硝化菌群和DNRA菌群呈现出复杂的合作与竞争关系;在Δδ18O/Δδ15N＞1网络中,反硝化菌群和亚硝酸盐氧化菌（NOB）作为主要的氮转化微生物菌群,二者之间的合作关系可能是拥有亚硝酸盐氧化还原酶（NXR）的NOB菌群在缺氧/厌氧条件下,与反硝化作用同时进行亚硝酸盐氧化而导致的。亚硝酸盐的氧化过程具有“反向”的动力学同位素效应,可能是造成Δδ18O/Δδ15N＞1的原因。
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