近日，我校生物地质与环境地质国家重点实验室李平研究员（教授）课题组与厦门大学和中国科学院城市环境研究所合作，在环境生态学领域顶级期刊《The ISME Journal》上发表了题为“Nitrogen fixation and diazotroph diversity in groundwater systems”的研究论文。中国地质大学为该论文第一完成单位，李平研究员为通讯作者，博士研究生刘晓晗为第一作者。
生物固氮（BNF）是将N2转化为生物可利用N的过程，在维持全球N循环中具有重要作用。地下水是重要的淡水资源，农业灌溉和生活污水的排放向地下水输入了大量的N，加速了地下水中NH4+和NOX-的转化。然而，目前学界对地下水系统中的BNF过程仍知之甚少。本研究采用15N2同位素示踪、单细胞拉曼以及宏基因组/转录组等技术，通过原位表征并结合室内验证，发现了地下水系统中存在大量有活性的固氮微生物。
图1. 地下水系统中微生物固氮及其多样性概念图
通过对地下水中固氮微生物的活性、多样性和生物地球化学网络等研究发现，原位地下水中BNF速率高达585.4nmol N L-1 h-1 （图2A），在单细胞水平上也显示出了细胞色素c共振拉曼峰的偏移（固氮菌的特征偏移谱峰）（图2D）。Stutzerimonas、Pseudomonas、Paraburkholderia及Klebsiella等异养微生物是地下水中活性固氮菌的主要类群。
图2. 原位地下水和固氮富集物/纯培养物的固氮活性
此外，BNF与硝化、硫/砷代谢、亚铁转运和甲烷氧化等过程紧密相关（图3），地下水中的有机质以及硫/铁/锰的还原过程可能是驱动微生物固氮的能量来源，而微生物固氮为相关的生物地球化学过程提供氮源。本研究从多角度证明了BNF是地下水系统重要的N循环环节，完善了我们对地下水N循环的认识，对深入理解相关生物地球化学过程具有重要意义。
图3. 地下水固氮过程的生物地球化学网络
上述研究得到了国家自然科学基金（No. 42177068、91851115、91851209 和 91851101）资助，以及中科院生态环境中心邓晔研究员生信分析平台、厦门大学高树基教授和中国科学院城市环境研究所崔丽研究员团队的协助。
论文信息：
标题：Nitrogen fixation and diazotroph diversity in groundwater systems.
作者：Xiaohan Liu, Ping Li*, Helin Wang, Li-Li Han, Kai Yang, Yanhong Wang, Zhou Jiang, Li Cui and Shuh-Ji Kao
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41396-023-01513-x
