随着巴黎世界气候大会的落幕，温室气体减排提速和实现2030年左右的减排目标，已经提升为国家任务，中国将为世界贡献更多力量。不仅由于一些政治性和经济性的问题促使谈判进展缓慢，技术性的问题也是其中的重要原因，例如：目前在国家尺度上真正准确地估算温室气体的释放量就存在很大的不足。中科院生态环境中心研究员、青促会会员祝贵兵课题组与合作者通过长期的努力研究，从不同尺度、不同角度证实我国温室气体氧化亚氮N2O的释放通量小于目前联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）所界定的我国排放通量数值（419 Gg N yr–1）。

    目前在国家尺度上对氧化亚氮通量的计算，都是基于每年国家化肥施加量和部分样点氧化亚氮通量的实测值，然后通过模型计算得出。而祝贵兵研究组的研究结果证实，在我国水生态系统，发生着一种长期被忽略，却又无处不在的氮循环过程—厌氧氨氧化。无论是野外现场试验，还是模拟对照实验均证实厌氧氨氧化反应过程能够减少氧化亚氮的释放通量，因此国家尺度上的氧化亚氮释放通量很可能小于目前的估算值，详细阐述如下： 

    目前，人类活动对氮循环的干扰已远大于其他因素，极大地加速了地球生态环境的变化，引发严重的氮循环失衡、氮污染加剧、温室气体排放增多等不良效应。据估算，目前全球只有约40-60%的氮是通过反硝化生成氮气回到大气中。在全球变暖、污染加剧的双重胁迫下，是否存在新型的氮循环过程，值得我们探究。厌氧氨氧化反应的发现就是一个明例。厌氧氨氧化是在厌氧条件下由厌氧氨氧化菌以亚硝酸盐作为电子受体将氨氮直接氧化为氮气，避免了强效温室气体氧化亚氮的产生，并完成封闭的产氮气循环，因此受到国际社会的广泛关注。目前已探明，海洋系统中厌氧氨氧化反应对氮的流失贡献量占总流失量的30-50%，但是厌氧氨氧化反应是否在陆地水生态系统也发挥重要作用，尚不明确。针对这一科学问题，祝贵兵研究团队在院青促会、国家基金委优青和面上项目的资助下，在尹澄清研究员和王为东博士的大力协助下，与国外科学家通力合作，从环境地理学、环境化学以及微生物生态学等多个学科开展研究，取得了一系列创新性研究成果。概述如下：

 (1) 在技术上开发了测定厌氧氨氧化菌丰度和活性的方法

    针对厌氧氨氧化细菌特有的羟胺还原酶(hzsB, hydrazine synthase b subunit)的功能基因，开发了基于厌氧氨氧化菌羟胺还原酶的功能基因引物，从而实现对土壤和沉积物中厌氧氨氧化细菌的qPCR定量（发表于FEMS Microbiology Letters）；开发了基于氮同位素示踪的原位、半原位测定厌氧氨氧化速率的方法，从而区分并测定了厌氧氨氧化和反硝化速率以及对氮循环的贡献。

 (2) 提出科研假设并证实-不同介质的缺氧-好氧界面会发生显著的厌氧氨氧化反应 

    根据厌氧氨氧化的反应底物以及岸边带的生物地球化学特征和景观异质性特点，在研究组多年岸边带研究的基础上，提出假设：不同介质的缺氧-好氧界面会发生显著的厌氧氨氧化反应（发表于Applied Microbiology and Biotechnology）。

    首先，与朱永官研究员合作，在微米、厘米的尺度上证明缺氧-好氧界面发生着广泛的厌氧氨氧化反应。采集典型水稻根际和非根际土壤，应用CARD-FISH、qPCR和同位素示踪的方法，证明水稻根际土壤发生显著的厌氧氨氧化反应，产生的氮气量占总生成量的30-40%，而非根际土壤产生的氮气量仅占总氮气生成量的2-3%，证明了在微米、厘米尺度的水稻根际土壤中，发生显著的厌氧氨氧化反应。论文发表于The ISME Journal。

    在陆地生态系统，另一典型的缺氧-好氧界面的载体就是水陆交错带。首先在白洋淀一处典型岸边带系统进行现场实验，发现岸边带沉积物是厌氧氨氧化菌的高丰度区域和厌氧氨氧化反应的热区；在此基础上进行全湖大面积采样，进一步证实了这一结论，得到的厌氧氨氧化反应速率是目前自然界所报道的最高值，产氮气量占总氮气生成量的比值达11-35%；另外还发现，厌氧氨氧化的反应热区能够显著降低N2O的释放。这是在自然界首次报道厌氧氨氧化反应的热区及热区效应，论文发表于Nature Geoscience。进一步的研究发现，在其他类型的缺氧-好氧界面和水陆交错带，如稻田土壤、河流岸边带等都发生着显著的厌氧氨氧化反应，相关论文发表于The ISME Journal和Environmental Science & Technology.

(3) 补充与修订陆地水生态系统的氮循环通量与氮循环理论体系 

    在上述中等尺度研究基础上，祝贵兵研究组扩大研究地点，在全国范围进行大尺度验证，同时也估算厌氧氨氧化反应对我国水生态系统氮循环的贡献。通过对10种来自40个不同地区256个样品进行大规模取样研究发现证实，厌氧氨氧化反应在陆地水生态系统无处不在，甚至在一些极端环境下，例如高温（大于75℃）、低温（低于-25℃）、高pH值（大于9）、低pH值（小于4）、富营养化和寡营养盐的不同水体，都发生着厌氧氨氧化反应。厌氧氨氧化反应主要发生在表层沉积物50 cm以上区域，并对氮循环起重要作用。相比于河流系统，湖泊发生着更加显著的厌氧氨氧化反应，反应速率是河流中厌氧氨氧化反应速率的数量级倍数，其中湖泊岸边带是整个水生态系统厌氧氨氧化反应的热区。厌氧氨氧化反应在稻田系统的广泛发生，补充了土壤生态系统氮循环理论体系，为我国稻田系统氧化亚氮（N2O）释放量的精确计算提供科学借鉴。在沼泽湿地中厌氧氨氧化反应的广泛发生，将我们对厌氧氨氧化反应发生条件的认识，从传统的高氮低碳环境，拓展到高碳低氮环境，并结合各种湿地和水生态系统的面积，推算由厌氧氨氧化反应产生的氮流失量（2.0 Tg N yr −1）占总量的11.4%，论文发表于Scientific Reports和Environmental Microbiology Reports。同时，祝贵兵研究组对与厌氧氨氧化菌共生的功能微生物，如氨氧化古菌（ammonia oxidizing archaea, AOA）和反硝化厌氧甲烷氧化菌（nitrite-dependent anaerobic methane oxidization, N-DAMO）也进行了相关研究，论文发表于Scientific Reports和Environmental Microbiology Reports。

厌氧氨氧化反应在我国内陆水体的分布及其在不同水体和湿地中的贡献，包括河流（a）、湖泊（b）、稻田（c）和沼泽（d） 

    以上结果对我国氧化亚氮的通量计算、全球气候变化模型和氮循环通量产生重要影响。以往对氧化亚氮通量的计算，都是基于模型和化肥施加量以及部分样点的实测值，均没有考虑厌氧氨氧化的功效。而祝贵兵课题组的研究结果证实，无论是白洋淀野外现场试验，还是模拟湿地对照实验（发表于Environmental Science & Technology），均证实厌氧氨氧化反应过程能够减少N2O的释放通量，因此国家尺度上的氧化亚氮释放通量很可能要小于目前的估算值。