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pH值低于5.5的酸性土壤在全球热带和亚热带地区广泛分布，约占地表无冰区面积的30％，包括农田、森林、草地等各种生态系统类型。在过去几十年中，氮肥的过量施用造成了世界范围内农田的酸化，使酸性土壤的面积进一步增加，从而严重影响了土壤中元素的地球化学循环过程。硝化作用是全球氮循环的核心环节，是产生温室气体N2O和易淋溶硝酸盐的重要过程。酸性土壤中硝化作用的研究已有一百余年的历史，但主导其过程的功能微生物及硝化作用机理一直是个谜题。在19世纪早期，由于检测手段的限制，人们普遍认为硝化作用只能在中碱性土壤中发生，直到1872年，酸性土壤中的硝化活性才被首次发现和证实。在之后的百余年中，氨氧化细菌(AOB)一直被认为是土壤中执行好氧硝化作用的唯一微生物类群。直到2006年来，土壤中氨氧化古菌(AOA)的发现才为重新认识这一重要过程提供了新的线索。 本论文采用多种分子生态学研究方法，如聚合酶链式反应(PCR)、实时荧光定量PCR、变性梯度凝胶电泳(DGGE)、末端限制性片段多态性分析(T-RFLP)、克隆文库和测序技术、以及高通量的焦磷酸测序(Pyrosequencing)和微阵列基因芯片(Microarray)技术，并与稳定性同位素示踪技术(SIP)相结合，深入地揭示了AOA和AOB对于酸性土壤硝化作用的相对贡献、硝化抑制剂双氰胺(DCD)对酸性土壤硝化速率和氨氧化微生物的抑制效果、氨氧化微生物在大尺度范围内的分布特征、以及不同土地管理和利用方式对酸性土壤氨氧化微生物丰度、群落结构和功能活性的影响。论文的主要研究内容与成果如下: 1.从我国南方采集了五种典型的酸性土壤(pH＜4.5)，在实验室微宇宙条件下研究了自养氨氧化过程。在30天培养期内，五种酸性土壤均显示出活跃的硝化功能，且诤硝化速率与AOA amoA基因拷贝数之间存在显著正相关，但与AOBamoA基因拷贝数显著负相关或者无显著关系。这些结果初步说明AOA可能是酸性土壤中氨氧化过程的主导微生物。随后，我们通过稳定性同位素示踪技术对酸性土壤中功能活跃的氨氧化微生物进行了13CO2标记。结果表明，伴随着活跃的硝化作用，只有AOA能够显著地将13CO2固定到DNA中去，而AOB始终停留在氯化铯梯度液轻区。DGGE分析发现，AOAamoA基因的两个条带亮度在培养过程中显著增强，但是在添加硝化抑制剂DCD后明显受到抑制。DCD添加能够有效抑制氨氧化过程，并降低AOA的丰度;AOB丰度在培养过程中显著降低，但是与DCD添加没有明显关系。系统发育分析表明酸性土壤中功能活跃的AOA类群属于GroupⅠ.1a-associated和GroupⅠ.1b。这些结果有力地证明AOA是酸性土壤中硝化过程的主导微生物类群。 2.从我国南方和北方一共采集了65个旱地土壤样品，涉及草地、林地、农田和茶园等不同的生态系统类型。通过454焦磷酸测序和定量PCR技术对吉菌16S rRNA基因、AOA和AOB amoA基因的群落结构和丰度进行了调查。奇古菌(Thaumarchaeota)、AOA和AOB的α多样性指数在不同土壤样品间差异很大，但与pH值的相关性最为显著。基于Bray-Curtis相似性指数的β多样性分析也表明，pH值是所有测定土壤基本性质中与氨氧化微生物群落结构关系最为显著的指标。进一步分析发现四个AOA类群（包括GroupsⅠ.1a-associated、Ⅰ.1b、Ⅰ.1c和Ⅰ.1c-associated）和四个AOB类群(包括Clusters2、3a.1、10和12)的相对丰度与土壤pH值显著相关。AOA与AOB amoA基因拷贝数的比值随土壤pH值降低而显著升高，说明AOA比AOB在酸性土壤中更具有竞争优势。这些结果说明氨氧化微生物在大尺度范围内的分布规律可以通过pH值的变化而很好地解释和预测。 3.从西悉尼大学Hawkesbury Forest Experiment实验样地采集了四种不同土地管理方式下(Land-management)的酸性森林土壤样品:对照处理、施肥处理、灌溉处理、和灌溉加施肥处理。同时从森林样地周围采集了原生的酸性草地土壤用于研究不同土地利用方式(Land-use)对氨氧化过程的影响。一共采集了冬夏两季的样品，通过使用定量PCR、T-RFLP、基因芯片、克隆文库和测序、及稳定性同位素示踪技术全面研究了不同土地管理和利用方式对氨氧化微生物丰度、群落结构及其功能的影响。结果表明，AOA和AOB的丰度和氨氧化潜势在灌溉处理和灌溉加施肥处理中显著升高，并且这两个处理中AOA和AOB的群落结构与其它三个处理有显著差异。稳定性同位素培养实验发现灌溉处理和灌溉加施肥处理中的净氮矿化速率和净硝化速率显著升高，并且只有AOA能够显著地将13CO2固定到DNA中去，而AOB的功能活性明显低于AOA。系统发育分析表明实验样地中功能活跃的AOA类群属于GroupsⅠ.1a、Ⅰ.1 a-associated、和Ⅰ.1b。这些结果说明酸性土壤中的AOA比AOB对于不同土地管理和利用方式的影响更为敏感，并且在灌溉和施肥后的土壤中发挥着更为重要的作用。 4.综合以上研究结果并综合分析相关文献，我们提出了酸性土壤中AOA参与硝化作用的可能机理:(1) NH3是自养氨氧化微生物的唯一能量来源，但是酸性土壤中高浓度的H+离子使大部分NH3以AOA和AOB不能利用的NH4+离子态存在。微宇宙培养实验和氨氧化微生物纯菌株的研究表明，AOA比AOB对于NH3分子具有更高的亲和力，并且AOA更喜好在低浓度NH3的环境中生长。因此酸性土壤低pH诱导的低NH3条件，为AOA执行硝化作用提供了较为适宜的生境。(2) AOA可能主要利用酸性土壤中有机质持续矿化所释放的低浓度NH3进行自养生长，而无机NH4+源不能刺激AOA的生长。因此，AOA可能与土壤中的矿化微生物紧密结合，从而更容易获得持续的底物供给。此外，AOA也可能进行混合营养型生长，直接利用土壤中的有机质作为获取能量的氮源。这就为AOA在酸性土壤中与AOB竞争提供了更为明显的优势。(3)与AOB相比，AOA具有独特的生理生化和遗传特征。三株AOA纯培养物的全基因组测序表明，AOA的氨氧化途径可能与AOB的存在显著差异，并且AOA的氨氧化过程和碳固定过程减少了能量的消耗，更有助于AOA在酸性土壤条件下发挥主导作用。 综上所述，本论文通过综合运用各种传统和现代分子生态学研究手段，并与稳定性同位素示踪技术相结合，从大尺度范围、室外场地实验、微宇宙培养等各个水平展示了酸性土壤中氨氧化微生物的生态学特征和硝化作用机理。本研究所得出的结果和结论对于全面认识广泛分布的酸性土壤中的硝化过程具有重要意义，并有助于制定有效的生态管理策略来调控酸性土壤中的氮素循环过程。