全 文 ：氨氧化古菌及其在氮循环中的重要作用*
刘晶静1 摇 吴伟祥1,2**摇 丁摇 颖1,2 摇 石德智1 摇 陈英旭1,2
( 1 浙江大学环境保护研究所, 杭州 310029; 2 浙江省水体污染控制与环境安全技术重点实验室, 杭州 310029)
摘摇 要摇 氨氧化作用作为硝化过程的第一步,是氮素生物地球化学循环的关键步骤.长期以
来,变形菌纲 茁和 酌亚群中的氨氧化细菌一直被认为是氨氧化作用的主要承担者.然而,近年
来研究发现氨氧化古菌广泛存在于各种生态系统中,并且在数量上占明显优势,在氮素生物
地球化学循环中起着非常重要的作用.本文概述了氨氧化古菌的形态、生理生态特性及其系
统发育特征,对比分析了氨氧化古菌和氨氧化细菌的氨单加氧酶及其编码基因的异同,综述
了氨氧化古菌在水生和陆地等生态系统氮素循环中的作用,同时就氨氧化古菌在应用生态和
环境保护领域今后的研究重点进行了展望.
关键词摇 氨氧化古菌摇 氨单加氧酶摇 氮循环
文章编号摇 1001-9332(2010)08-2154-07摇 中图分类号摇 X172摇 文献标识码摇 A
Ammonia鄄oxidizing archaea and their important roles in nitrogen biogeochemical cycling: A
review. LIU Jing鄄jing1, WU Wei鄄xiang1,2, DING Ying1,2, SHI De鄄zhi1, CHEN Ying鄄xu1,2
(1 Institute of Environmental Science and Technology, Zhejiang University, Hangzhou 310029, Chi鄄
na; 2Zhejiang Province Key Laboratory for Water Pollution Control and Environmental Safety, Hang鄄
zhou 310029, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(8): 2154-2160.
Abstract: As the first step of nitrification, ammonia oxidation is the key process in global nitrogen
biogeochemical cycling. So far, the autotrophic ammonia鄄oxidizing bacteria (AOB) in the 茁鄄 and
酌鄄subgroups of proteobacteria have been considered as the most important contributors to ammonia
oxidation, but the recent researches indicated that ammonia鄄oxidizing archaea (AOA) are widely
distributed in various kinds of ecosystems and quantitatively predominant, playing important roles in
the global nitrogen biogeochemical cycling. This paper reviewed the morphological, physiological,
and ecological characteristics and the molecular phylogenies of AOA, and compared and analyzed
the differences and similarities of the ammonia monooxygenase (AMO) and its encoding genes be鄄
tween AOA and AOB. In addition, the potential significant roles of AOA in nitrogen biogeochemical
cycling in aquatic and terrestrial ecosystems were summarized, and the future research directions of
AOA in applied ecology and environmental protection were put forward.
Key words: ammonia鄄oxidizing archaea; ammonia monooxygenase; nitrogen cycling.
*国家“863冶计划项目(2006AA06Z327)和浙江省科技计划项目
(2006C13066)资助.
**通讯作者. E鄄mail: weixiang@ zju. edu. cn
2009鄄12鄄31 收稿,2010鄄06鄄01 接受.
摇 摇 氨氧化作用是好氧微生物将铵态氮转化为亚硝
酸盐氮的过程[1-2] .作为硝化作用的限速步骤,氨氧
化作用微生物学研究在氮素生物地球化学循环过程
中一直倍受关注.长期以来,研究者普遍认为变形菌
纲的氨氧化细菌( ammonia鄄oxidizing bacteria,AOB)
是地球氮素循环过程中最主要的承担者[3] . 然而,
近年来随着环境微生物分子生态学技术的发展和研
究的深入[4],研究者发现另一类具有氨氧化能力的
微生物———氨氧化古菌(ammonia鄄oxidizing archaea,
AOA).它们是一类以重碳酸盐为碳源、利用铵态氮
氧化产生细胞能量进行化能无机自养生长的独立于
AOB 进化分枝外的进化类群,属于泉古菌门(Cren鄄
archaeota). AOA 广泛分布于海洋[5-7]、土壤[8]、 温
泉[9-10]和湿地[11]等各种类型的生态系统中,在地球
生态系统的氮素循环过程中可能起着相当重要的作
用.本文介绍了 AOA 的形态、生理生态特性及其系
统发育特征,对比分析了 AOA 和 AOB 的氨单加氧
酶及其编码基因的异同,并从水生生态系统、陆地生
态系统和其他生态系统等方面综述了 AOA 的生态
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 8 月摇 第 21 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2010,21(8): 2154-2160
分布、丰度、活性及其在氮循环中的重要作用.
1摇 氨氧化古菌的形态、生理生态特性及其系统发育
2004 年,Venter 等[12]在 Sargasso Sea 海水微生
物宏基因组测序分析中发现泉古菌编码氨单加氧酶
(AMO)各亚基的基因,首次提出了海洋泉古菌可能
具有氨氧化能力. 2005 年,Treusch等[13]在对土壤泉
古菌基因组分析时也发现泉古菌氨单加氧酶编码基
因.同年,K觟nneke 等[14]成功分离并获得具有氨氧
化能力的中温泉古菌 Nitrosopumilus maritimus 纯培
养物,Francis等[15]将具有氨氧化能力的泉古菌命名
为氨氧化古菌(ammonia鄄oxidizing archaea,AOA).自
此,古菌的氨氧化引起了全世界氮循环研究者的广
泛关注.
AOA在氧化铵态氮获得细胞能量的同时能固
定二氧化碳,进行化能无机自养生长,而且它可以耐
受缺氧环境,是生态系统中的初级生产者和深海海
域等缺氧环境中氨氧化的优势微生物类群[7,16] . 以
生存环境温度划分,低于 45 益环境中的 AOA 属于
中温泉古菌(mesophilic Crenarchaeota),高于 45 益
环境中的 AOA 属于嗜热泉古菌( thermophilic Cren鄄
archaeota) [17-18] .研究者推测氨氧化能力起源于嗜
热泉古菌[10,18-19] .地球早期高温环境产生的铵态氮
可以为化能无机自养的嗜热泉古菌提供能量来源,
这与地球早期的氮循环由化学驱动相一致. 中温
AOA则可能是嗜热 AOA 随着环境温度的变化采用
独立的次级响应机制进化而来[18] .随着地球环境的
变化,氨氧化泉古菌可能随地壳运动而分布到各种
生态系统中[10,19] .生物进化使得泉古菌营养类型丰
富,严格自养和兼养型的泉古菌都能够进行铵态氮
氧化而获得细胞能量[14,20] .氨氧化能力起源的问题
涉及到能量起源和生物进化,尚需大量假设和模型
进一步论证.
迄今为止,研究者仅从环境中纯培养了 1 株中
温 AOA N. maritimus[14] .该菌是以西雅图水族馆热
带水域沙砾层为接种物富集、分离培养获得;细胞直
杆状,长 0郾 5 ~ 0郾 9 滋m,切面直径 0郾 17 ~ 0郾 22 滋m;
有机碳源的加入会对其生长产生抑制作用. 嗜热
AOA Nitrososphaera gargensis[18]和 Nitrosocaldus yel鄄
lowstonii[19] 以及中 温 AOA Cenarchaeum symbio鄄
sum[20]均为富集培养产物.富集培养的 AOA 为杆状
或球状,世代周期约为 20 h,与废水处理厂中 AOB
的生长速度相似[21] . N. gargensis 对铵态氮浓度变
化较为敏感,铵态氮浓度>3郾 08 mmol·L-1时会抑制
其活性,这远低于文献报道 AOB对铵态氮 200 mmol
·L-1以上的耐受能力[22-23] . C. symbiosum不仅能够
通过 3鄄羟基丙酸循环将二氧化碳转化为有机碳进
行化能无机自养生长,还能够通过三羧酸循环以有
机化合物为碳源产生细胞能量进行混合营养型生
长[24] . C. symbiosum基因组中不仅具有氨单加氧酶
的 amoA、amoB和 amoC 基因,还具有氨通透性酶、
脲酶、尿素转运系统、亚硝酸盐还原酶以及一氧化氮
还原酶,但是没有检测到 AOB铵态氮代谢途径中涉
及到的羟胺氧化还原酶和电子传递体细胞色素 c554
及 cm552 .
摇 摇 在系统发育与进化方面,AOA 形成了一类完全
独立于 AOB的进化分支. 16S rRNA 系统发育揭示
了 AOA的亲缘关系(图 1). 海洋、大多数水体以及
沉积物来源的 AOA 聚类于泉古菌 Group 1郾 1a(A)
分支;土壤及其他陆地生态系统来源的 AOA聚类于
泉古菌 Group 1郾 1b(B)分支[25] .嗜热 AOA 在 amoA
系统发育树上形成了一个独立于土壤和海洋分支的
进化分支,因此 Weidler 等[10]建议将地热环境中的
嗜热泉古菌区别于中温泉古菌,命名为 “ thermal
spring cluster冶 .由于纯培养技术的限制,迄今为止仅
从环境中获得 1 株纯菌. 因此,AOA 的生理生态特
征以及细胞生物化学和分子生物学的研究尚处于
图 1摇 泉古菌系统发育树及分支结构[25]
Fig. 1 摇 Phylogenetic tree of major crenarchaeota and branch
structure.
A: 海洋水体及沉积物来源 Marine water and sediments ( Group 1.
1a);B:土壤和其他环境来源 Ubiquitous in most soil and other environ鄄
ments (Group1. 1b);C: 牧草地和针叶林土壤来源 Grassland and co鄄
niferous forest soils;D: 沉积物来源 Sediments;E: 淹水土壤、沉积物、
淡水及其他环境来源 Flooded soils, sediments, freshwater and other
environments;F: 深海分支 B Marine benthic group B;G: 深海分支 C
Marine benthic group C;H: 地下植物根系来源 Subsurface plant roots;
I: 陆地温泉和热液喷口中可培养嗜热泉古菌分支 Terrestrial hot
springs and hydrothermal vents.
55128 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘晶静等: 氨氧化古菌及其在氮循环中的重要作用摇 摇 摇 摇 摇 摇
起步阶段,AOA碳氮代谢机制也需要进一步探明.
2摇 氨氧化古菌的氨单加氧酶及其编码基因
氨单加氧酶(ammonia monooxygenase,AMO)是
由 AmoA、AmoB和 AmoC 3 个亚基组成的三聚体膜
结合蛋白[26],是好氧氨氧化微生物所特有的一种胞
内酶. 尽管 3 个亚基的编码基因 amoA、 amoB 和
amoC在 AOA 与 AOB 之间存在一定的差异,但是
AOA和 AOB 的 AMO 氨基酸序列在金属离子结合
位点具有较强的保守性,大约 25% 的序列相同,
40%的序列相似[25],跨膜结构也很相似[24] . AOA和
AOB的 AmoA亚基氨基酸序列相似性虽然也较低,
却非常重要,都具有氨单加氧酶家族特有的 10 个氨
基酸序列[13] .因此,可以推测 AOA 和 AOB 的 AMO
具有相同的进化史,同属于单加氧酶蛋白家族.
AmoA是 AMO 活性多肽位点[27-28],以其编码
基因 amoA作为分子标记不仅可以反映出环境中氨
氧化微生物的种类、数量和活性,还可以分析氨氧化
微生物的分布、群落结构差异和进化关系. AOA 和
AOB的 amoA 基因相似性只有 60% . 对于环境样
品,通常采用引物 Arch鄄amoAF 和 Arch鄄amoAR 检测
AOA[15],采用 amoA鄄1F 和 amoA鄄2R 检测 AOB[29] .
AOA和 AOB中 amoA基因拷贝数也各不相同. 茁鄄变
形菌纲 AOB有 2 ~ 3 个拷贝的 amoA基因,酌鄄变形菌
纲 AOB只有 1 个拷贝;自然环境中的 AOA 有 2 ~ 3
个拷贝,富集培养的 AOA 只有 1 个拷贝[5,30] . 现阶
段只能采用 amoA基因拷贝数研究环境样品中 AOA
与 AOB的相对丰度.
amo的系统发育分析表明,AOA和 AOB 的 amo
基因同源性较小,在进化树上两者属于不同的分
支[25],而且 amoA、amoB和 amoC在 AOA与 AOB中
的排列顺序也存在明显差异(图 2). AOB 的 amo 基
因簇排列较保守,amoA 和 amoB 位于同一操纵子,
amoB 位于 amoA 下游,amoC 位于 amoA 上游[30] .
AOA的 amo 基因簇排列多变[25],与细菌存在明显
差异. N. maritimus和马尾藻海 AOA 的 amo 基因簇
中,amoB 位于 amoC 下游,amoA 位于 amoC 上游,
amoC和 amoA基因之间有未知功能基因插入.土壤
来源的 AOA缺少 amoC基因,amoB与 amoA基因中
也有与海洋 AOA 相同的未知功能基因插入[13] . 嗜
热 AOA 的 amo 基因簇中也缺少 amoC 基因,且
amoA 位于 amoB 的下游[18-19] . N. yellowstonii 的
AmoB亚基氨基酸序列与土壤和海洋来源 AOA 的
AmoB一致性<50% ,并有 30 个氨基酸插入序列,这
图 2摇 AOA和 AOB中不同种 amo基因排列示意图[19]
Fig. 2摇 Schematic representation of amo genes in different spe鄄
cies of AOA and AOB
Nitrosomonas europaea: 欧洲亚硝化单胞菌; Sargasso Sea scaffold
CH004643: 马尾藻海泉古菌 AMO 基因片段;Soil Crenarchaeota fos鄄
mid 54d9: 土壤泉古菌 AMO 基因片段;Cenarchaeum symbiosum, Ni鄄
trosopumilus maritimus,Candidatus “Nitrosocaldus yellowstonii冶:富集培
养的 AOA The AOAs obtained by enrichment culture; D:保守假设 Con鄄
served hypothetical; E:连接 Connection.
可能与嗜热 AOA 在高温环境生长及其蛋白表达的
活性有关[19] .
3摇 氨氧化古菌在氮循环中的作用
作为生态系统的初级生产者,AOA 能够将无机
的氮源和碳源转化为细胞能量和细胞生物有机体,
在地球生物化学循环中起着至关重要的作用. 虽然
目前的研究还不足以确定 AOA 对全球氮素循环的
具体贡献,但是泉古菌在脂质分析、荧光原位杂交分
析、16S rRNA基因聚类分析以及 amoA 基因定量分
析中特有的结果均可证实 AOA 在自然界中分布广
泛,并在生态系统氮素循环中起着极其重要的作用.
3郾 1摇 氨氧化古菌在水生生态系统氮素循环中的作
用
中温 AOA大量分布于水生生态系统中的各个
区域,包括海洋透光层[5-6,31]和深海缺氧层[7,32-33]、
深海沉积物[32,34]、珊瑚和暗礁[35]、江河口[36-37]、地
下暗河[38]、淡水沉积物[37],甚至在南北两极的海水
中也检测到泉古菌 amoA 基因存在[39] . 相反,部分
海域 AOB 的 amoA 基因含量较低甚至难以检
测[5-6] .虽然最近有文献报道高盐度水域 AOB 的
amoA 基因数量高于 AOA,例如弗罗里达州河
口[37]、地下河入海口[38]以及圣弗朗西斯科海湾[40]
的高盐度水体和沉积物中,AOB 的 amoA 基因拷贝
数均略高于 AOA. 但是总体而言,在大多数的水生
6512 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
生态系统中,AOA的 amoA 基因在水体中拷贝数为
10 ~ 105 copy·ml-1,在沉积物中拷贝数高达 107 ~
108 copy·g-1,比 AOB的 amoA基因数量高 1 ~ 3 个
数量级. AOA与 AOB的 amoA基因数量比值在北极
圈海水中更是高达 11071[5-6,34,39] .
在水生生态系统中,AOA 数量上占优势,而且
amoA基因拷贝数与氨氧化速率存在很好的相关
性,因而可以推测 AOA对硝化作用的贡献可能大于
AOB. 研究者发现,在阿拉伯海[41]、圣芭芭拉海
峡[42]、加利福尼亚海湾[31]和荷兰西斯海尔德河
口[43]等水体中,亚硝酸盐浓度和氨氧化速率均与泉
古菌 amoA基因数量呈显著正相关. 弗罗里达州 9
个不同河口底层水体和沉积物中,硝化速率与泉古
菌 amoA基因数量也呈正相关,但与 AOB 的 amoA
数量没有显著的相关性[37] . Wuchter 等[5]对北海沿
岸海水进行连续 12 个月的监测发现,泉古菌 amoA
基因数量与海水中铵态氮浓度呈显著负相关.最近,
Lam等[7]研究发现 AOA 为黑海中厌氧氨氧化过程
提供了大约一半的亚硝酸盐. 在太平洋上中层海域
中,绝大多数泉古菌都具有铵态氮氧化的代谢机制,
这些 AOA是海洋氮素循环非常活跃的贡献者[44] .
AOA在贫营养水体的氮素循环中也可能起着
主导作用. AOA的半饱和速率常数 Km 与海洋原位
氨氧化作用的 Km 非常接近[16] .当铵态氮浓度低至
10 ~ 20 nmol·L-1时,AOA仍可进行氨氧化作用,这
一浓度比富集培养的 AOB 最低生长浓度( >1 滋mol
·L-1)还要小 100 倍以上[45] . N. maritimus 对底物
铵态氮的亲和力是已报道生物底物亲和力中最高
的,达 68700 g-1·h-1,比 AOB 高出 200 多倍,比贫
营养区硅藻属高 30 多倍. 因此,在氨氮浓度极低的
贫营养海域尤其是深海, AOA 不仅丰度远高于
AOB,而且在与 AOB、异养微生物和浮游藻类竞争
底物铵态氮的过程中占有绝对优势,可以推测 AOA
在贫营养海域的氮素循环和能量转换中扮演着极为
重要的角色.
3郾 2摇 氨氧化古菌在陆地生态系统氮素循环中的作
用
AOA在陆地生态系统中的分布也非常广泛.迄
今为止,研究者已在碱性沙地[46]、农业土壤[8]、半干
旱森林土壤[47]、牧草土壤[48-49]、盐沼湿地[50]、稻田
土壤[51-52]、淡水大型植物 Littorella uniflora 根系土
壤[11]以及高山永久冻结带[53]等陆地生态系统中检
测到 AOA的存在. Zhang等[53]发现珠穆拉玛峰北坡
高海拔(>5700 masl)土壤中,AOB 的 amoA 基因拷
贝数比 AOA略高 1 ~ 2 个数量级.但是总体而言,陆
地生态系统 AOA 的 amoA 基因数量在 104 ~ 108
copy·g-1,比 AOB 的 amoA 基因数量高出约 2 ~ 3
个数量级.
铵态氮浓度、pH和温度的变化都会影响土壤生
态系统中 AOA的群落结构和活性.高钙草原土壤中
铵态氮浓度的升高会显著促进 AOA amoA 基因表
达量的增加[13];稻田土壤中氮肥的施用也会显著促
进 AOA的生长和表达活性[52] . 酸性土壤硝化作用
可能主要由 AOA 承担. Nicol 等[54]发现在土壤 pH
值为 4郾 9 ~ 7郾 5 时,AOA amoA基因的拷贝数及表达
活性均随土壤 pH 值的降低而升高;当 pH 最低时,
AOA与 AOB的 amoA转录活性比值达到最大;而碱
性土壤中,pH值(8郾 3 ~ 8郾 7)对 AOA 丰度和群落结
构没有明显影响[46] .培养温度(10 益 ~ 30 益)变化
对 AOA群落结构和转录活性都有明显影响[55] .
高丰度和高效基因表达说明 AOA 对土壤生态
系统的氮循环可能起着非常重要的作用. Tourna
等[55]研究发现,土壤中 AOA 的 amoA 基因不仅数
量远高于 AOB,其转录活性和转录产物数量也高于
AOB. Offre等[56]利用乙炔对氨单加氧酶活性的抑制
研究了土壤硝化过程中 AOA 与 AOB 的生长,结果
表明土壤硝化过程中只有 AOA 在生长,AOA 对土
壤硝化作用起主要作用. Chen 等[52]发现,AOA 对淹
水稻田土壤氨氧化过程也起着主导性作用,其
amoA基因数量以及转录水平均显著高于 AOB. 但
是也有研究指出,在铵态氮浓度较高的生态系统中,
AOB可能对硝化作用贡献更大.长期施用氮肥的碱
性沙质土壤中,铵态氮浓度升高对 AOA 的 amoA 基
因拷贝数影响不大,而 AOB 的 amoA 基因拷贝数与
硝化速率有明显的正相关关系[48] .在高氮草原土壤
中,AOA的丰度和活性并没有随氮肥的施入而增
大,而 AOB的数量和活性不仅与土壤硝化活性呈正
相关,而且随土壤铵态氮浓度的升高而增大[49] . 这
表明过高的铵态氮浓度可能会抑制 AOA 活性;与
AOB 相比,AOA 更适合于低浓度铵态氮的环境条
件,并且在低浓度铵态氮硝化作用中起主导作用.
3郾 3摇 氨氧化古菌在其他生态系统氮素循环中的作
用
AOA不仅对海洋、陆地等自然生态系统的氮素
循环做出了重要的贡献,在人工污水处理系统中也
发挥着重要作用. 在水族馆生物膜系统[57]、地下水
处理生物滤器[58] 和污水处理厂活性污泥反应
器[59-60]中均发现了泉古菌 amoA 基因的存在. 虽然
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目前对这些系统中 AOA的具体贡献尚不明确,但是
可以确定 AOA 是这些系统中微生物群落结构的重
要组成部分.
AOA对地热环境中的氮素循环也起着至关重
要的作用.嗜热 AOA对温度和 pH 的变化具有很高
的耐受能力,它们能够活跃在 38 益 ~ 97 益和 pH
2郾 5 ~ 9郾 0 的温泉、地矿等受地热影响的环境
中[9-10,61-62] . 氨氧化能力在嗜热泉古菌中的发现不
仅拓展了硝化作用上限温度,而且 AOB在地热环境
中鲜有发现也证明了高温环境中的氨氧化作用可能
主要由 AOA承担.
4摇 结论与展望
AOA是地球生态系统中非常丰富的氨氧化微
生物,广泛存在于海洋、淡水流域、土壤、温泉等生态
系统. AOA不仅丰度显著高于 AOB,而且在部分生
境中其转录和表达活性也高于 AOB,尤其在低浓度
铵态氮生态系统和贫营养海域,AOA 对硝化作用的
贡献远大于 AOB. 嗜热 AOA 更是高温环境氨氧化
作用的主要承担者. 因此,AOA 在自然界氮素生物
地球化学循环中可能起着非常重要的作用.但是,目
前对 AOA 的研究主要集中在对比各种类型生态系
统中 AOA和 AOB 对硝化作用的贡献,许多领域的
研究工作尚不完善,急需深入研究,主要包括以下几
个方面:1) 分离、筛选不同生态环境条件下的 AOA
菌种,研究其生理生态和细胞生物化学特征,并结合
现代微生物分子生物学和生态学技术揭示 AOA 铵
态氮氧化以及二氧化碳固定机制;2)克隆 AOA氨氧
化过程中相关酶的基因,研究酶学性质,尤其是其氨
单加氧酶的作用机理;3) 开展各种类型生态系统中
AOA的分子生态学研究,阐明生态结构和环境因素
对 AOA 群落结构和硝化活性的影响以及氮素循环
中 AOA 与 AOB 及其它微生物之间的相互作用机
制;4) 研究污水处理系统硝化过程中 AOA 的群落
生态结构,开发以 AOA 为主的脱氮工艺技术,利用
AOA处理低浓度铵态氮的养殖废水,对减缓我国日
趋严重的流域水环境氮素污染具有非常重要的意
义.
参考文献
[1]摇 Kowalchuk GA, Stephen JR. Ammonia鄄oxidizing bacte鄄
ria: A model for molecular microbial ecology. Annual
Review of Microbiology, 2001, 55: 485-529
[2]摇 Dong L鄄H (董莲华), Yang J鄄S (杨金水), Yuan H鄄L
(袁红莉). Research advances in molecular ecology of
ammonia oxidizing bacteria. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2008, 19(6): 1381-1388
(in Chinese)
[3]摇 Purkhold U, Pommerening鄄R觟ser A, Juretschko S, et
al. Phylogeny of all recognized species of ammonia oxi鄄
dizers based on comparative 16S rRNA and amoA se鄄
quence analysis: Implications for molecular diversity
surveys. Applied and Environmental Microbiology,
2000, 66: 5368-5382
[4]摇 Zhong M (钟摇 鸣), Zhou Q鄄X (周启星). Molecular
ecological technology of microorganism and its applica鄄
tion to research on environmental pollution. Chinese
Journal of Applied Ecology (应用生态学报), 2002, 13
(2): 247-251 (in Chinese)
[5]摇 Wuchter C, Abbas B, Coolen MJL, et al. Archaeal ni鄄
trification in the ocean. Proceedings of the National
Academy of Sciences of the United States of America,
2006, 103: 12317-12322
[6]摇 Mincer TJ, Church MJ, Taylor LT, et al. Quantitative
distribution of presumptive archaeal and bacterial nitrifi鄄
ers in Monterey Bay and the North Pacific Subtropical
Gyre. Environmental Microbiology, 2007, 9: 1162 -
1175
[7]摇 Lam P, Jensen MM, Lavik G, et al. Linking crenar鄄
chaeal and bacterial nitrification to anammox in the
Black Sea. Proceedings of the National Academy of Sci鄄
ences of the United States of America, 2007, 104: 7104-
7109
[8]摇 Leininger S, Urich T, Schloter M, et al. Archaea pre鄄
dominate among ammonia鄄oxidizing prokaryotes in soils.
Nature, 2006, 442: 806-809
[9]摇 Reigstad LJ, Richter A, Daims H, et al. Nitrification in
terrestrial hot springs of Iceland and Kamchatka. FEMS
Microbiology Ecology, 2008, 64: 167-174
[10]摇 Weidler GW, Gerbl FW, Stan鄄Lotter H. Crenarchaeota
and their role in the nitrogen cycle in a subsurface radio鄄
active thermal spring in the Austrian central Alps. Ap鄄
plied and Environmental Microbiology, 2008, 74: 5934
-5942
[11]摇 Herrmann M, Saunders AM, Schramm A. Archaea
dominate the ammonia鄄oxidizing community in the rhizo鄄
sphere of the freshwater macrophyte Littorella uniflora.
Applied and Environmental Microbiology, 2008, 74: 259
-270
[12] 摇 Venter JC, Remington K, Heidelberg JF, et al. Envi鄄
ronmental genome shotgun sequencing of the Sargasso
Sea. Science, 2004, 304: 66-74
[13]摇 Treusch AH, Leininger S, Kletzin A, et al. Novel genes
for nitrite reductase and Amo鄄related proteins indicate a
role of uncultivated Mesophilic crenarchaeota in nitrogen
cycling. Environmental Microbiology, 2005, 7: 1985 -
1995
[14]摇 K觟nneke M, Bernhard AE, de la Torre JR, et al. Isola鄄
tion of an autotrophic ammonia鄄oxidizing marine archae鄄
on. Nature, 2005, 437: 543-546
[15]摇 Francis CA, Roberts KJ, Robert KJ, et al. Ubiquity
and diversity of ammonia鄄oxidizing archaea in water col鄄
8512 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
umns and sediments of the ocean. Proceedings of the
National Academy of Sciences of the United States of A鄄
merica, 2005, 102: 14683-14688
[16]摇 Martens鄄Habbena W, Berube PM, Urakawa H, et al.
Ammonia oxidation kinetics determine niche separation
of nitrifying archaea and bacteria. Nature, 2009, 461:
976-979
[17] 摇 Reysenbach AL, Shock E. Merging genomes with geo鄄
chemistry in hydrothermal ecosystems. Science, 2002,
296: 1077-1082
[18]摇 Hatzenpichler R, Lebedeva EV, Spieck E, et al. A
moderately thermophilic ammonia鄄oxidizing crenarchae鄄
ote from a hot spring. Proceedings of the National Acade鄄
my of Sciences of the United States of America, 2008,
105: 2134-2139
[19]摇 de la Torre JR, Walker CB, Ingalls AE, et al. Cultiva鄄
tion of a thermophilic ammonia oxidizing archaeon syn鄄
thesizing crenarchaeol. Environmental Microbiology,
2008, 10: 810-818
[20] 摇 Hallam SJ, Konstantinidis KT, Putnam N, et al. Ge鄄
nomic analysis of the uncultivated marine crenarchaeote
Cenarchaeum symbiosum. Proceedings of the National
Academy of Sciences of the United States of America,
2006, 103: 18296-18301
[21]摇 Grady CPL, Daigger GT, Lim HC. Biological
Wastewater Treatment. 2nd Ed. New York: Marcel
Dekker, 1999
[22]摇 Sato C, Schnoor LA, Hommes NG, et al. Ammonia鄄oxi鄄
dizing bacteria with different sensitivities to (NH4) 2SO4
in activated sludge. Water Research, 1994, 28: 1523-
1532
[23]摇 Suwa Y, Sumino T, Noto K. Phylogenetic relationships
of activated sludge isolates of ammonia oxidizers with
different sensitivities to ammonium sulfate. Journal of
General and Applied Microbiology, 1997, 43: 373-379
[24]摇 Hallam SJ, Mincer TJ, Schleper C, et al. Pathways of
carbon assimilation and ammonia oxidation suggested by
environmental genomic analyses of marine crenarchae鄄
ota. PLoS Biology, 2006, 4: 520-536
[25]摇 Nicol GW, Schleper C. Ammonia鄄oxidizing crenarchae鄄
ota: Important players in the nitrogen cycle? Trends in
Microbiology, 2006, 14: 207-212
[26]摇 Arp DJ, Sayavedra鄄Soto LA, Hommes NG. Molecular
biology and biochemistry of ammonia oxidation by Nitro鄄
somonas europaea. Archives Microbiology, 2002, 178:
250-255
[27]摇 Hommes NG, Sayavedra鄄Soto LA, Arp DJ. Mutagenesis
and expression of amo, which codes for ammonia monoo鄄
xygenase in Nitrosomonas europaea. Journal of Bacteriol鄄
ogy, 1998, 180: 3353-3359
[28]摇 Stephen JR, Chang YJ, Macnaughton SJ, et al. Effect
of toxic metals on indigenous soil beta鄄subgroup pro鄄
teobacterium ammonia oxidizer community structure and
protection against toxicity by inoculated metal鄄resistant
bacteria. Applied and Environmental Microbiology,
1999, 65: 95-101
[29]摇 McTavish H, Fuchs JA, Hooper AB. Sequence of the
gene coding for ammonia monooxygenase in Nitrosomonas
europaea. Journal of Bacteriology, 1993, 175: 2436 -
2444
[30]摇 Norton JM, Alzerreca JJ, Suwa Y, et al. Diversity of
ammonia monooxygenase operon in autotrophic ammonia鄄
oxidizing bacteria. Archives of Microbiology, 2002, 177:
139-149
[31]摇 Beman JM, Popp BN, Francis CA. Molecular and bio鄄
geochemical evidence for ammonia oxidation by marine
crenarchaeota in the Gulf of California. The ISME Jour鄄
nal, 2008, 2: 429-441
[32] 摇 Nakagawa T, Mori K, Kato C, et al. Distribution of
cold鄄adapted ammonia鄄oxidizing microorganisms in the
deep鄄ocean of the northeastern Japan Sea. Microbes and
Environments, 2007, 22: 365-372
[33]摇 Coolen MJL, Abbas B, Bleijswijk J, et al. Putative am鄄
monia鄄oxidizing crenarchaeota in suboxic waters of the
Black Sea: A basin鄄wide ecological study using 16S ri鄄
bosomal and functional genes and membrane lipids.
Environmental Microbiology, 2007, 9: 1001-1016
[34]摇 Park SJ, Park BJ, Rhee SK. Comparative analysis of ar鄄
chaeal 16S rRNA and amoA genes to estimate the abun鄄
dance and diversity of ammonia鄄oxidizing archaea in ma鄄
rine sediments. Extremophiles, 2008, 12: 605-615
[35]摇 Beman JM, Roberts KJ, Wegley L, et al. Distribution
and diversity of archaeal ammonia monooxygenase genes
associated with corals. Applied and Environmental Mi鄄
crobiology, 2007, 73: 5642-5647
[36]摇 Beman JM, Francis CA. Diversity of ammonia鄄oxidizing
archaea and bacteria in the sediments of a hypernutrified
subtropical estuary: Bah侏a del T佼bari, Mexico. Applied
and Environmental Microbiology, 2006, 72: 7767-7777
[37]摇 Caffrey JM, Bano N, Kalanetra K, et al. Ammonia oxi鄄
dation and ammonia鄄oxidizing bacteria and archaea from
estuaries with differing histories of hypoxia. The ISME
Journal, 2007, 1: 660-662
[38]摇 Santoro AE, Francis CA, de Sieyes NR, et al. Shifts in
the relative abundance of ammonia鄄oxidizing bacteria
and archaea across physicochemical gradients in a sub鄄
terranean estuary. Environmental Microbiology, 2008,
10: 1068-1079
[39]摇 Kalanetra KM, Bano N, Hollibaugh JT. Ammonia鄄oxi鄄
dizing archaea in the Arctic Ocean and Antarctic coastal
waters. Environmental Microbiology, 2009, 11: 2434-
2445
[40]摇 Mosier AC and Francis CA. Relative abundance and di鄄
versity of ammonia鄄oxidizing archaea and bacteria in the
San Francisco Bay estuary. Environmental Microbiology,
2008, 10: 3002-3016
[41]摇 Sinninghe Damst佴 JS, Rijpstra W. IC, Hopmans EC, et
al. Distribution of membrane lipids of planktonic crenar鄄
chaeota in the Arabian Sea. Applied and Environmental
Microbiology, 2002, 68: 2997-3002
[42]摇 Murray AE, Blakis A, Massana R, et al. A time series
assessment of planktonic archaeal variability in the Santa
Barbara Channel. Aquatic Microbial Ecology, 1999, 20:
129-145
95128 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘晶静等: 氨氧化古菌及其在氮循环中的重要作用摇 摇 摇 摇 摇 摇
[43]摇 Sahan E, Muyzer G. Diversity and spatio鄄temporal dis鄄
tribution of ammonia鄄oxidizing archaea and bacteria in
sediments of the Westerschelde estuary. FEMS Microbi鄄
ology Ecology, 2008, 64: 175-186
[44]摇 Church MJ, Wei Brenner, Karl DM, et al. Abundances
of crenarchaeal amoA genes and transcripts in the Pacif鄄
ic Ocean. Environmental Microbiology, 2010, 12: 679-
688
[45]摇 Bollmann A, B覿r鄄Gilissen, MJ, Laanbroek, HJ.
Growth at low ammonium concentrations and starvation
response as potential factors involved in niche differenti鄄
ation among ammonia鄄oxidizing bacteria. Applied and
Environmental Microbiology, 2002, 68: 4751-4757
[46]摇 Shen JP, Zhang LM, Zhu YG, et al. Abundance and
composition of ammonia鄄oxidizing bacteria and ammonia鄄
oxidizing archaea communities of an alkaline sandy
loam. Environmental Microbiology, 2008, 10: 1601 -
1611
[47]摇 Adair KL, Schwartz E. Evidence that ammonia鄄oxidizing
archaea are more abundant than ammonia鄄oxidizing bac鄄
teria in semiarid soils of northern Arizona, USA. Micro鄄
bial Ecology, 2008, 56: 420-426
[48]摇 Di HJ, Cameron KC, Shen JP, et al. A lysimeter study
of nitrate leaching from grazed grassland as affected by a
nitrification inhibitor, dicyandiamide, and relationships
with ammonia oxidizing bacteria and archaea. Soil Use
and Management, 2009, 25: 454-461
[49]摇 Di HJ, Cameron KC, Shen JP, et al. Nitrification driv鄄
en by bacteria and not archaea in nitrogen鄄rich grassland
soils. Nature Geoscience, 2009, 2: 621-624
[50]摇 Moin NS, Nelson KA, Bush A, et al. Distribution and
diversity of archaeal and bacterial ammonia oxidizers in
salt marsh sediments. Applied and Environmental Micro鄄
biology, 2009, 75: 7461-7468
[51]摇 Wang YN, Ke XB, Wu LQ, et al. Community composi鄄
tion of ammonia鄄oxidizing bacteria and archaea in rice
field soil as affected by nitrogen fertilization. Systematic
and Applied Microbiology, 2009, 32: 29-36
[52] 摇 Chen XP, Zhu YG, Xia Y, et al. Ammonia oxidizing
archaea: Important players in paddy rhizosphere soil?
Environmental Microbiology, 2008, 10: 1978-1987
[53]摇 Zhang LM, Wang M, Prosser JI, et al. Altitude ammo鄄
nia鄄oxidizing bacteria and archaea in soils of Mount Ev鄄
erest. FEMS Microbiology Ecology, 70: 52-61
[54] 摇 Nicol GW, Leininger S, Schleper C, et al. The influ鄄
ence of soil pH on the diversity, abundance and tran鄄
scriptional activity of ammonia oxidizing archaea and
bacteria. Environmental Microbiology, 2008, 10: 2966-
2978
[55]摇 Tourna M, Freitag TE, Nicol GW, et al. Growth, activ鄄
ity and temperature responses of ammonia鄄oxidizing ar鄄
chaea and bacteria in soil microcosms. Environmental
Microbiology, 2008, 10: 1357-1364
[56]摇 Offer P, Prosser JI, Nicol GW. Growth of ammonia鄄oxi鄄
dizing archaea in soil microcosms is inhibited by acety鄄
lene. FEMS Microbiology Ecology, 2009, 70: 99-108
[57]摇 Urakawa H, Tajima Y, Numata Y, et al. Low tempera鄄
ture decreases the phylogenetic diversity of ammonia鄄oxi鄄
dizing archaea and bacteria in aquarium biofiltration sys鄄
tems. Applied and Environmental Microbiology, 2008,
74: 894-900
[58]摇 de Vet WWJM, Dinkla IJT, Muyzer G, et al. Molecular
characterization of microbial populations in groundwater
sources and sand filters for drinking water production.
Water Research, 2009, 43: 182-194
[59]摇 Park HD, Wells GF, Bae H, et al. Occurrence of am鄄
monia鄄oxidizing archaea in wastewater treatment plant
bioreactors. Applied and Environmental Microbiology,
2006, 72: 5643-5647
[60]摇 Zhang T, Jin T, Shao M, et al. Occurrence of ammo鄄
nia鄄oxidizing archaea in activated sludges of a laboratory
scale reactor and two wastewater treatment plants. Jour鄄
nal of Applied Microbiology, 2009, 107: 970-977
[61]摇 Zhang CL, Ye Q, Huang ZY, et al. Global occurrence
of archaeal amoA genes in terrestrial hot springs. Ap鄄
plied and Environmental Microbiology, 2008, 74: 6417
-6426
[62] 摇 Spear JR, Barton HA, Robertson CE. Microbial com鄄
munity biofabrics in a geothermal mine adit. Applied and
Environmental Microbiology, 2007, 73: 6172-6180
作者简介摇 刘晶静,女,1985 年生,博士研究生.主要从事环
境微生物分子生态学研究. E鄄mail: ljj851113@ yahoo. com. cn
责任编辑摇 肖摇 红
0612 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷