农田长期过量施用氮肥造成土壤剖面中硝酸盐累积风险增加。包气带既是硝酸盐淋失的通道，也是硝酸盐消减和转化的场所。包气带中的反硝化微生物可以将硝酸盐还原为气态氮，从土壤中排放出去。因此，强化包气带微生物的反硝化作用有助于减少硝酸盐淋失，是缓解包气带硝酸盐累积的重要途径。

稳定性同位素示踪技术是环境样品中鉴定特定功能微生物类群的重要技术手段。农业资源研究中心农业微生物生态与技术研究团队利用该技术与扩增子测序和功能基因定量技术相结合，研究了华北平原集约化农业地区0-9 m土壤剖面异养反硝化微生物的组成和功能。利用宏基因组与高通量分离培养及鉴定技术相结合的方法，研究了其中反硝化细菌的种类及功能。研究结果表明，表层土壤和深层环境样品的活性反硝化微生物类群和功能存在差异。表层土壤中的主要反硝化细菌类群为Pseudomonas、Azoarcus和Burkholderiaceae；深层环境中的主要反硝化细菌类群为Pseudomonas、Burkholderiaceae、Bacillus和Ammoniphilus。定量化研究反硝化功能基因表明，随着土壤深度的增加，nos/nir 的比率上升，这可能是表层土壤氧化亚氮排放潜力较高的原因（图1）。宏基因组分析共鉴定出32种不能鉴定到种属水平的反硝化细菌基因组，利用高通量细菌分离技术结合传统培养方法，构建了包含上百株菌种的深层包气带反硝化细菌资源库，并筛选出Pseudomonas属的两株具高活性的反硝化菌株（图2）。本研究加深了对厚包气带反硝化微生物组成和功能的认识，为开发减少地下水硝酸盐污染的淋失阻控技术提供了新的依据。

研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金等项目的支持。

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Genome-Resolved Metagenomics and Denitrifying Strain Isolation Reveal New Insights into Microbial Denitrification in the Deep Vadose Zone, https://doi.org/10.1021/acs.est.3c06466

Stable isotope probing reveals compositional and functional shifts in active denitrifying communities along the soil profile in an intensive agricultural area, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.167968

图1 稳定性同位素示踪技术鉴定土壤剖面中的活性反硝化菌

图2 宏基因组及高通量培养技术分析鉴定厚包气带反硝化微生物的组成及功能