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土壤中由反硝化菌驱动的反硝化作用在氮循环中占有重要地位，此过程中产生的气态产物(NO和N2O)，不但会引起氮素损失，降低氮肥利用率，还会引起温室效应，以及破坏臭氧层。而土壤中污染物的胁迫极有可能会影响反硝化菌群落分布及其功能，从而对全球气候变化产生影响。多环芳烃（PAHs）是环境中普遍存在的污染物，特别是随着我国工业化进程的发展，其污染程度加剧，并可通过大气沉降、污灌等方式进入土壤，由于其自身的疏水性及低水溶性，可长期累积到土壤中，对土壤微生物、植物产生毒害、进入食物链危害人类健康。我们已知PAHs可通过破坏细胞膜结构和组成或者通过造成DNA氧化损伤，对微生物产生毒性效应。因此，研究PAHs污染土壤中反硝化菌群落分布特征及其功能具有重要的生态学意义。
本研究利用实时荧光定量PCR(real-time PCR)、末端限制性片段多态性(T-RFLP)、克隆和测序等分子生物学技术，首先通过室内模拟实验验证了PAHs污染对土壤反硝化菌的急性和动态毒性效应以及对反硝化功能的影响;而后选取PAHs微污染（流域尺度）和重污染（小尺度）地区的土壤样品，通过偏冗余分析以及结构方程模型等统计分析方法探讨了PAHs、重金属、土壤理化性质等多种环境因子对反硝化菌群落分布和反硝化功能（反硝化潜势，PDA）的相对贡献，反硝化功能与群落丰度和多样性之间的关系，从而为我们揭示PAHs对土壤反硝化功能微生物的生态毒性，更全面地了解反硝化菌群落分布规律以及可能的生态学驱动机制提供科学依据。论文的主要研究内容与成果如下:
1.PAHs毒性效应的实验室模拟实验:以四环的芘为例，研究其对土壤反硝化细菌群落的毒性效应。将不同浓度的芘(0-500 mg kg-1)添加到农田土壤中进行剂量-效应和动态培养实验。结果表明，芘的添加降低了土壤中反硝化细菌群落丰度及PDA; PDA与反硝化功能基因(nirK、nirS和nosZ)的拷贝数呈显著正相关关系，这两者与芘的浓度均呈显著负相关关系。对比芘与PDA及功能基因拷贝数的EC50值可发现，反硝化细菌群落丰度比PDA对芘的胁迫更敏感，反硝化过程中执行不同功能的反硝化菌对芘的响应也并不一致，而其中携带nirS基因的反硝化菌群落丰度敏感度最高。此外，结果还表明芘的添加改变了土壤中反硝化细菌的群落结构。芘的添加增加了土壤中慢生根瘤菌科（Bradyrhizob iaceae）、红螺菌目（Rhodospirillales）、伯克氏菌目（Burkholderiales）和假单胞菌目（Pseudomonadales）四个反硝化群组的比例，在这四个群组中均包含有能降解PAHs的物种。
2.长期PAHs轻污染土壤:在流域尺度下，采集了天津三条排污河沿岸受污灌影响长达25年之久的土壤，并研究了土壤中不同环境因子对反硝化菌群落丰度和多样性，以及这些生物和非生物因子对潜在的反硝化功能的相对贡献。研究结果表明，在长期污灌土壤中，土壤理化性质和污染物（PAHs和重金属）是影响反硝化菌群落丰度和多样性以及PDA的两大重要因子群。NirK-、nirS-或nosZ反硝化菌群对环境因子具有不同的响应，它们分别受基质浓度(NO3--N和NO2--N)、碳源和污染物的驱动。反硝化菌群落结构比丰度更容易受到环境因子的影响。相反，反硝化菌群落丰度而不是结构与PDA相关。此外，污染物和植被类型直接或者间接通过影响土壤理化性质而改变反硝化菌群落丰度进而影响PDA。
3.长期PAHs重污染土壤:在小尺度上，研究了运行50年的焦化厂内PAHs重污染土壤中多种环境因子对反硝化功能以及反硝化菌群落丰度和多样性的相对贡献。研究结果表明，C/N和PAHs是影响该土壤中反硝化菌群落丰度和多样性最重要的两个环境因子，且它们协同反硝化菌影响了土壤的反硝化功能。随着土壤污染程度的增高，污染因子对反硝化菌群落结构的贡献量也逐渐变大。此外，污染因子与群落结构之间的偏冗余分析结果表明，土壤中不同反硝化功能群落对PAHs和重金属扰动以及耐受的污染程度存在不一致性;相比亚硝酸盐还原菌群，我们发现N2O还原反硝化菌群落丰度和结构，都更易受到PAHs长期扰动的影响，其丰度值与PDA也有较显著的正相关关系。因此，可以考虑选取nosZ功能基因作为土壤高浓度PAHs长期污染的预警指标以及对反硝化功能的预测。
以上研究表明，土壤中PAHs对反硝化功能群落丰度和多样性及反硝化功能产生了显著的影响，且随着污染程度加剧影响越大。反硝化菌群落结构相比丰度更容易受到土壤中环境因子变化的影响，然而反硝化功能却与其丰度更相关。不同反硝化功能群落对污染物的响应和耐受程度不一致，在短期PAHs污染土壤中nirS反硝化菌表现出更高的灵敏度，而在长期污染条件下N2O还原功能菌群丰度和多样性则更容易受到污染物的抑制。本研究一方面为PAHs污染土壤中反硝化菌群落分布特征提供了生态学依据，另一方面也补充了PAHs对土壤微生物生态的毒理效应，凸现了PAHs污染土壤修复的急迫性。