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南京土壤研究所在土壤硝酸根轉化過程研究方面取得進展

2021-02-09 分享到:

 陸地生態系統氮循環過程中,反硝化是活性氮最終以惰性氮(N2)形式離開土壤、水體等內生循環回歸大氣的最主要途徑。對于農業生態系統,反硝化是農田土壤氮素損失的最主要途徑,不僅降低氮肥利用率和土壤肥力,還會增加N2O的排放,對氣候變化産生不利影響。由于大氣背景N2濃度高達78%,要在如此高背景N2環境下,直接和准確地測定土壤反硝化産生的微量N2極其困難,極大限制了對土壤反硝化過程和機理的認識。針對上述難題,我所顔曉元課題組經過多年努力,與國際同行合作研發了基于MIMS (Membrane Inlet Mass Spectrometry)RoFlow (Robotized continuous Flow incubation system)的水田和旱地反硝化過程的測定裝置和方法體系(相关发明和实用新型專利正在受理中),上述装置和方法体系已被《土壤氮循環實驗研究方法》專著收录(顔曉元等主編,科學出版社2020),爲開展農田生態系統反硝化過程研究提供了關鍵技術支撐。利用上述裝置和方法體系在水田和旱地硝酸根轉化過程中取得以下進展:

1) 針對水田系統,利用MIMS15N示蹤手段(15N同位素配對和15NH4+化學氧化法),率先在同一體系下同時研究了水稻土中反硝化、AnammoxDNRA的發生速率和影響因素,並對室內泥漿15N加標法和土柱培養法進行了對比分析。發現反硝化是硝酸根還原的主導途徑(76.9%-92.5%)AnammoxDNRA也有實質性貢獻(占比分別爲4.5-9.2 %0.5-17.6%);室內泥漿15N加標法能一定程度反應土壤原位淨脫氮速率,但會顯著低估(Shan et al ., Environ. Sci. Technol. 2016)。進一步通過室內培養實驗,明確了關鍵環境因子如溫度、pH、有機碳、底物濃度等對土壤硝酸根還原過程動力學特征的影響,發現碳源的形態和供給及Fe2+含量是影響這些厭氧氮轉化過程的關鍵因素(Shan et al., Biol. Fertil. Soils 2018; Rahman/Shan et al., Environ. Pollut. 2018; 李進芳等,農業環境科學學報 2019;吳敏等,土壤學報 2021),同時發現土壤和汙泥中硝酸根的轉化過程也對酚類有機汙染物的降解轉化具有潛在影響,硝基取代後的酚類有機汙染物環境歸趨與母體化合物具有明顯差異(Wang et al., J. Hazard. Mater. 2020)

2) 針對旱地系統,通過將RoFlow15N-N2O site preference (SP)技術聯用,揭示了集約化種植體系下果園和蔬菜地等旱地系統中碳源和硝酸根含量對反硝化速率和産物比的調節機制。發現稭稈添加可顯著促進土壤N2O排放和反硝化速率,但稭稈添加對反硝化的促進作用及其對反硝化産物比[N2O/(N2O+N2)]的影響取決于土壤硝酸根的含量;通過15N-N2O SP分析顯示,田間實際含水量(55-80% WFPS)情況下,細菌反硝化和硝化細菌反硝化過程是旱地系統N2O産生的主導途徑;在相同土壤氮含量下,稭稈添加能夠顯著促進N2O的還原(N2O還原爲N2)並提高N2排放峰值,與观测到的N2O還原酶(N2OR)功能基因nosZ的豐度變化趨勢相一致,暗示稭稈添加可能對N2O還原功能微生物具有顯著影響(Wu et al., 2018; Wei et al., 2020)。而目前已知nosZ包括兩個不同的分支:較爲熟知的Clade Ⅰ型分支,通常爲反硝化微生物攜帶;以及新的Clade Ⅱ型分支,爲多種類型微生物攜帶,其中大多數是非反硝化微生物。通過對2013-2019年間有關NosZ論文的荟萃分析发现,Clade Ⅱ型N2O還原微生物在影響N2O排放方面具有之前未認識到的重要作用,如其可以消耗非反硝化過程産生的N2O、以N2O電子彙清除多余電子及解除N2O細胞毒害,同時Clade N2O還原微生物還具有不同于Clade N2O還原微生物的酶促動力學特征,且在許多生態系統的土壤中,Clade Ⅱ型N2O還原微生物的數量占據優勢地位。基于上述認識,提出了N2O還原過程中Clade I Clade II類型微生物作用的範式圖(1),未來研究須重點關注Clade Ⅱ型N2O還原微生物在調節土壤N2O排放中作用(Shan et al., Glob. Change Biol. 2021)

 

                                                            Clade I Clade II型 N2O還原微生物在N2O 還原過程中的作用示意圖

 

  論著清單 

  Shan, J., Zhao, X., Sheng, R., Xia, Y.Q., Ti, C.P., Quan, X.F., Wang, S.W., Wei, W.X., Yan, X.Y., 2016. Dissimilatory nitrate reduction processes in typical Chinese paddy soils: rates, relative contributions and influencing factors. Environmental Science & Technology 50, 9972-9980. 

  Shan, J., Yang, P., Shang, X., Rahman, M.M., Yan, X., 2018. Anaerobic ammonium oxidation and denitrification in a paddy soil as affected by temperature, pH, organic carbon, and substrates. Biology and Fertility of Soils 54, 341-348. 

  Rahman, M.M., Shan, J., Yang, P., Shang, X., Xia, Y., Yan, X., 2018. Effects of long-term pig manure application on antibiotics, abundance of antibiotic resistance genes (ARGs), anammox and denitrification rates in paddy soils. Environmental Pollution 240, 368-377. 

  Wu, D., Wei, Z., Well, R., Shan, J., Yan, X., Bol, R., Senbayram, M., 2018. Straw amendment with nitrate-N decreased N2O/(N2O+N2) ratio but increased soil N2O emission: A case study of direct soil-born N2 measurements. Soil Biology and Biochemistry 127, 301-304. 

  李進芳, 柴延超, 陳順濤, 單軍, 顔曉元, 2019. 利用膜進樣質譜儀測定水稻土幾種厭氧氮轉化速率. 農業環境科學學報 38, 1541-1549.  

  吳敏, 李進芳, 魏志軍, 李承霖, 夏永秋, 單軍, 顔曉元, 2021. 水稻土Fe2+氧化耦合DNRA及其對氧氣存在和碳源添加的響應. 土壤學報(接受待刊,已網絡預發表). 

  顔曉元等,2020. 土壤氮循環實驗研究方法. 北京:科學出版社 ISBN: 978-7-03-064843-3 

  Wang, Y., Shan, J., Zhao, Y., Li, F., Corvini, P.F.X., Ji, R., 2020. Degradation and transformation of nitrated nonylphenol isomers in activated sludge under nitrifying and heterotrophic conditions. Journal of Hazardous Materials 393, 122438. 

  Wei, Z., Shan, J., Chai, Y., Well, R., Yan, X., Senbayram, M., 2020. Regulation of the product stoichiometry of denitrification in intensively managed soils. Food and Energy Security 9, e251. 

  Shan, J., Sanford, R.A., Chee-Sanford, J., Ooi, S.K., Loeffler, F.E., Konstantinidis, K.T., Yang, W.H., 2021. Beyond denitrification: the role of microbial diversity in controlling nitrous oxide reduction and soil nitrous oxide emissions. Global Change Biology doi: 10.1111/GCB.15545 (In press).