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湿地作为陆地与水体之间的过渡地带，是一个独特的土壤-植物-微生物系统，能够通过土壤吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用拦截陆源污染，对水质净化以及自然界氮循环具有重要意义。本论文对湿地主要氮素迁移转化过程的生物地球化学及微生物学机理进行了研究，旨在阐明湿地系统净化污染物的微生物驱动机制以及外界环境条件对沉积物中氮迁移转化规律的影响，以期为优化人工湿地的运行状况，强化其污染物去除效率提供参考。
本论文分别采用乙炔抑制法、氯酸钾抑制法和15N同位素示踪法对反硝化速率、硝化速率和厌氧氨氧化速率等生物化学反应速率进行了测定，研究了湿地沉积物中氮素迁移转化的过程效应。另外，分别选取氧化亚氮还原酶基因(nosZ)、氨单加氧酶基因(amoA)、联胺合成酶基因(hzsB)分别作为N2O还原过程、好氧氨氧化过程以及厌氧氨氧化过程(Anammox)的靶基因；通过聚合酶链式反应(PCR)、定量PCR(q-PCR)、克隆、测序等分子生物学方法对关键功能微生物的丰度与多样性进行了分析，研究了其在湿地氮素迁移转化过程中的作用。主要研究结果如下：
1.在白洋淀典型水陆交错带区域，从N2O还原菌功能基因(nosZ)的丰度与多样性两方面研究了N2O的还原过程，对微生物群落结构与功能之间的关系进行了阐述。研究表明，在陆域土壤中，nosZ基因丰度与N2O/(N2O+N2)呈显著负相关关系(r=-0.757，p<0.05)，表明nosZ基因丰度主导N2O的还原。与陆域土壤相比，沉积物中N2O/(N2O+N2)和nosZ基因丰度均较低，表明沉积物中N2O的还原还与N2O还原菌的群落组成有关。nosZ基因的系统发育分析表明，从沉积物中获得的所有克隆与α-Proteobacteria纲Rhodospirillaceae科中Azospirillum largimobile和Azospirillum irakense两个种的亲缘关系较近；而从陆域土壤中获得的92.3％的克隆与α-Proteobacteria纲Rhizobiaceae和Bradyrhizobiaceae科的亲缘关系较近。因此，从整个水陆交错带区域来看，N2O的还原不仅与nosZ基因丰度有关，而且与N2O还原菌的群落组成有关。
2.在嘉兴石臼漾仿自然湿地典型植物床-沟壕系统中，对氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的生境特性进行了研究，并探讨了其对硝化速率的主导作用。研究表明，在植物床表层土壤氨氮含量相对较低(4.52-7.63 mg kg-1)的条件下，AOA的丰度(平均4.21×108copies g-1 d.w.)高于AOB一个数量级；而在沟壕表层沉积物氨氮含量相对较高(14.0-22.9 mg kg-1)的条件下，AOB的丰度(平均3.76×107 copies g-1 d.w.)却高于AOA一个数量级。在植物床-沟壕系统表层样品中，氨氮含量是影响AOA和AOB丰度分布的关键环境因子；在植物床深层土壤中氨氮含量差别不大的情况下，Fe2+/Fe3+比值是影响AOA和AOB丰度分布的另一关键环境因子。在植物床-沟壕系统中，植物床中较低的氨氮含量及较高的Fe2+/Fe3+比值(2.96-13.7)并没有抑制AOA的生长，而沟壕中较高的氨氮含量促进了AOB的生长。另外，无论在植物床土壤还是沟壕沉积物中，硝化速率均由AOB主导，而非AOA。
3.在呈中度还原状态的淡水湿地生态系统中，沉积物硝化速率与厌氧氨氧化速率之间存在显著正相关关系(r=0.549，p<0.01)，AOA的amoA基因丰度与Anammox菌hzsB基因丰度之间也存在显著正相关关系(r=0.551，p<0.01)，进而从生物化学反应速率与关键功能微生物丰度两个角度阐明了不同NH4+-N含量条件下好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌之间的共生关系。另外，从生物化学反应速率角度阐明了硝化作用为反硝化作用和厌氧氨氧化作用提供了充足的NO2--N，三者之间存在良好的相互促进关系。从季节变化来看，较高的温度对硝化速率有明显的促进作用；在空间上，沿湿地水力流程沉积物中氨氧化微生物(AOA、AOB和Anammox菌)的丰度均趋于成熟。湿地沉积物中NH4+-N和NO2--N含量是影响硝化作用、厌氧氨氧化作用和反硝化作用的两个关键环境因子。
通过对湿地中氨氧化和反硝化过程及相关功能微生物的研究，进一步认识了淡水湿地生态系统中氮素迁移转化的生物地球化学及微生物学机理，丰富了湿地氮循环的理论基础，以期为湿地工程的优化运行提供理论借鉴。