微生物在環(huán)境中生長(zhǎng)并不是靠單一元素周轉(zhuǎn)而存活的，生物地球化學(xué)元素循環(huán)，例如碳、氮、磷、硫等，存在復(fù)雜的耦合關(guān)系。

研究表明，陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳氮耦合過(guò)程中，氮的輸入在促進(jìn)植物初級(jí)生產(chǎn)力和土壤碳固存的同時(shí)也增加了氮以氣態(tài)和液態(tài)形式的損失，同時(shí)降低了微生物的活性。而二氧化碳富集、增溫和群落演替在增加植物生長(zhǎng)和生態(tài)系統(tǒng)碳固存的同時(shí)，能夠通過(guò)增加生物固氮和礦化、減少氮淋溶等提高氮可利用性。碳氮循環(huán)過(guò)程能夠不斷地調(diào)整對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙方的耦合，使碳氮循環(huán)逐漸達(dá)到一種新的平衡。

碳氮耦合在全球變化下的這種轉(zhuǎn)變對(duì)模型預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)碳固存來(lái)說(shuō)有非常重要的啟示作用。

此外，微生物具有獨(dú)特的功能，例如微生物的碳固定和呼吸作用導(dǎo)致每天都有大量的碳素發(fā)生轉(zhuǎn)化，一些固氮微生物如固氮菌（Azotobacter）引起的化學(xué)反應(yīng)對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力有著至關(guān)重要的影響。從本質(zhì)上來(lái)看，微生物通過(guò)一系列氧化還原反應(yīng)驅(qū)動(dòng)生物地球化學(xué)循環(huán)。因此，有的微生物可以耦合不同元素的生物地球化學(xué)循環(huán)。當(dāng)微生物類群的基因組中包含了耦合循環(huán)的兩個(gè)組成部分的基因時(shí)，它們有可能極大地增強(qiáng)對(duì)生物地球化學(xué)循環(huán)之間耦合的理解。

近年來(lái)，不依賴于培養(yǎng)的宏基因組測(cè)序技術(shù)的進(jìn)展為將生物地球化學(xué)功能與其相關(guān)微生物驅(qū)動(dòng)因素聯(lián)系起來(lái)提供了一種強(qiáng)有力的新方法，為探索生物地球化學(xué)過(guò)程與其特定微生物類群的耦合提供了機(jī)會(huì)。

恩生物宏基因元素循環(huán)推出全新分析內(nèi)容——元素循環(huán)之碳氮耦合分析，深入分析各環(huán)境樣本中碳氮元素的耦合機(jī)制，助力研究人員更深層次理解生物地球化學(xué)循環(huán)。

接下來(lái)小編為大家展示2篇基于宏基因組測(cè)序進(jìn)行碳氮元素循環(huán)耦合分析的相關(guān)案例。

文獻(xiàn)案例一

題目：一種新的碳-氮耦合代謝途徑促進(jìn)了堆肥體系中氮素的可循環(huán)利用性[3]

期刊：Bioresource Technology

影響因子：11.4

DOI：10.1016/j.biortech.2023.129134

全球農(nóng)業(yè)中使用最廣泛的氮肥是尿素。一般來(lái)說(shuō)，植物主要吸收尿素代謝產(chǎn)生的銨態(tài)和硝酸鹽。作為堆肥系統(tǒng)中豐富的氮?dú)鈦?lái)源，了解尿素的水解和同化等一系列代謝過(guò)程是極其必要的。

本研究揭示了一種新的碳氮耦合代謝途徑。結(jié)果表明，無(wú)機(jī)碳源的添加減緩了尿素的分解，在堆肥過(guò)程中保留了更多的養(yǎng)分。宏基因組分析表明，參與這一新途徑的主要細(xì)菌是放線菌門、變形菌門和厚壁菌門。在堆肥后期，參與反硝化作用的優(yōu)勢(shì)菌屬在對(duì)照組（CP）中占22.18%，在處理組（T）中僅占0.12%。ureC、rocF、argF、argI、argG是參與尿素循環(huán)的關(guān)鍵基因。功能基因ureC和反硝化基因的豐度分別在嗜熱期和降溫期下降。本研究為實(shí)現(xiàn)堆肥系統(tǒng)的高氮保留率和提高堆肥的農(nóng)業(yè)價(jià)值提供了新的見(jiàn)解。

文獻(xiàn)案例二

題目：湖泊厭氧氨氧化菌富集及其與反硝化菌的耦合脫氮機(jī)制[4]

期刊：Microbiome

影響因子：15.5

DOI：10.1186/s40168-023-01532-y

富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中的厭氧銨氧化（anammox）可能會(huì)控制富營(yíng)養(yǎng)化，從而引起脫氮的關(guān)鍵功能的廣泛關(guān)注。本研究聚焦富營(yíng)養(yǎng)化湖泊脫氮熱區(qū)——沉積物界面anammox與反硝化的脫氮過(guò)程，以典型富營(yíng)養(yǎng)化湖泊（武漢東湖）為對(duì)象，利用不同營(yíng)養(yǎng)水平湖區(qū)沉積物在反應(yīng)器對(duì)anammox進(jìn)行了371天的富集培養(yǎng)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)合脫氮功能基因、宏基因組和酶活分析，以及同位素示蹤等手段，以期揭示富營(yíng)養(yǎng)化水體anammox和反硝化菌脫氮過(guò)程的互作和耦合機(jī)制。

研究結(jié)果表明，富集系統(tǒng)對(duì)NH4+和NO2-的最大去除率分別達(dá)到85.92%和95.34%；anammox和反硝化菌的多樣性在整個(gè)富集過(guò)程中顯著下降，anammox優(yōu)勢(shì)菌為Candidatus Jettenia。反硝化菌Thauera和Afipia屬在富集過(guò)程中豐度變化顯著。而且，anammox與反硝化菌的協(xié)同作用增加了微生物群落的穩(wěn)定性，anammox與反硝化菌之間的潛在耦合關(guān)系隨著富集時(shí)間逐漸形成。宏基因組學(xué)分析的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了anammox與反硝化之間的生態(tài)互作。本研究不僅拓展了對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉積物anammox富集過(guò)程anammox與反硝化菌耦合機(jī)制的認(rèn)知，而且為富營(yíng)養(yǎng)化湖泊脫氮提供了新的思路。

參考文獻(xiàn)
[1]?Dynamic carbon-nitrogen coupling under global change. Sci China Life Sci,?2023.?https://doi.org/10.1007/s11427-022-2245-y[2] Soil Biogeochemical Cycle Couplings Inferred from a?Function-Taxon Network. Research, 2021.?https://doi.org/10.34133/2021/7102769[3] A novel carbon-nitrogen coupled metabolic pathway promotes the recyclability of nitrogen in composting habitats. Bioresource Technology, 2023.?https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.129134[4] Ecological interactions and?the?underlying mechanism of?anammox and?denitrifcation?Across?the?anammox enrichment with?eutrophic lake sediments. Microbiome, 2023.https://doi.org/10.1186/s40168-023-01532-y