氨氧化微生物是地球惰性氮气和活性氮素之间循环的限速因子，也是土壤氮肥转化的重要功能微生物。在长期与环境相互作用过程中，其形成了截然不同的氨氧化古菌和细菌群落，并主导了土壤氨氧化过程。本研究以先进的稳定同位素核酸探针技术(DNA-SIP)和454焦磷酸高通量测序技术为支撑，深入研究了复杂土壤环境中氨氧化细菌和氨氧化古菌的生理代谢和群落组成差异以及环境驱动因子，为深刻理解土壤硝化过程的微生物调控机理，调控氮肥利用效率、减轻生态环境危害提供重要依据。　　首先，本研究针对典型草地和森林土壤，以16S rRNA基因为标靶，通过新兴的高通量测序和常规的变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术分析土壤微生物的组成、丰度和多样性，比较两种方法在土壤微生物群落研究中的适用性，为后续工作做铺垫。研究结果表明高通量测序能够较为全面和准确的反映土壤微生物群落结构，而DGGE仅能够反映有限的优势微生物类群，在很大程度上可能低估土壤微生物的物种组成并高估其丰度。　　其次，针对典型碱性农田和酸性草地土壤生态系统，利用稳定同位素核酸探针技术示踪土壤氨氧化细菌和古菌，发现在不同土壤氨氧化过程的驱动者不同。　　(1)在农田土壤中，通过DNA-SIP和高通量测序技术相结合，我们发现了在施加铵盐肥料的农田土壤中，氨氧化古菌(AOA)和氨氧化细菌(AOB)能够同化CO2进行生长，在乙炔抑制硝化作用的条件下，AOB和AOA不能同化CO2生长，清楚揭示了复杂土壤中AOB和AOA同化CO2生长依赖于氧化NH3的生理代谢特点。根据三次重复的实验数据推算，氨氧化细菌主导了碱性潮土硝化过程，贡献率＞77％。　　(2)在牧场土壤中，时间梯度的DNA-SIP发现，加尿素培养，硝态氮产生最快时，AOB被13C显著标记，而AOA只在土壤铵浓度显著降低时才被标记。在不加尿素的土壤中，从三周开始，古菌的生长就被强烈标记，而细菌直到第十周才有轻微标记。结果表明高铵能够影响氨氧化细菌和古菌的群落和功能。　　进一步探索氨氧化微生物群落及其功能分化的机理，研究发现在单一土壤类型下，长期施肥改变土壤理化性质，从而导致氨氧化微生物对环境适应性进化。区域尺度下，影响氨氧化微生物的因素更为复杂，难以由单一因子进行预测。　　(1)中国科学院封丘农业生态试验站长期定位试验包括7个处理:1）CK;2) NP;3) NK;4) PK;5) NPK;6) HOM;7)OM。采用454高通量测序技术测序土壤微生物16S rRNA基因以及实时荧光定量PCR定量amoA基因等手段，研究发现长期施氮肥能够在DNA水平显著提高AOB在氨氧化微生物群落中的优势度。RNA水平，AOB的丰度很高，与DNA水平相似，AOA的丰度远远低于DNA水平，更加突出了AOB在氨氧化群落中的重要地位。铵态氮和有效磷与AOB的数量和群落结构显著相关。pH和有效磷与AOA数量和群落结构显著相关。　　(2)进一步以长期施NPK肥和CK不施肥处理为研究对象，通过DNA-SIP技术对土壤加尿素培养63天，发现CK和NPK土壤中未标记AOB主要包括Nitrosospira Cluster3的TCH716和uncultured两个分支，但是CK中多集中在TCH716分支，而长期施NPK肥导致了uncultured分支被刺激，TCH716分支被抑制。CK中标记AOB和未标记AOB组成相似，而NPK中标记AOB与CK大不相同，多集中在特异的Nsp17分支。反映了施肥导致AOB种间和种内生态位分异。CK中N.gargensis类AOA被标记，NPK中同样存在相同N.gargensis类AOA，但是却没有被标记。表明长期施肥导致了AOA种内功能和组成的分化。　　(3)在全国13个省16个地区和新西兰2个地区共采集21个土壤，研究发现AOB和AOA amoA基因丰度与pH、铵、硝态氮因素相关性很弱，表明在区域尺度下，氨氧化微生物的分布难以由单一因素来预测。通过DNA-SIP用三种氮肥（尿素、硫酸铵和磷酸氢二铵）对所有土壤的混合土壤进行培养，发现AOA和AOB均能发挥作用。其中尿素处理的土壤中AOB标记程度最大。三种氮肥对AOA的活性无显著影响。三种氮肥标记的AOA和AOB组成大致相似。标记AOB与Nitrosospia Cluster3中TCH716菌株高度相似，标记AOA与Group1.1b古菌中N.gargensis高度相似。表明这些氨氧化微生物在与环境协同进化方面具有较强优势。　　综上所述，氨氧化微生物与环境协同进化及其群落和功能分化的机理十分复杂，仍然有待探索。