Вклад аммиакокисляющих бактерий и архей в нитрификацию

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 19928 (2022) Цитировать эту статью

1163 Доступа

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Считается, что нитрификация является одним из основных процессов эмиссии N2O в агроэкологической системе, который контролируется почвенными микробами и в основном регулируется рН почвы, содержанием кислорода и наличием NH4+. Предыдущие исследования доказали, что относительный вклад бактерий, окисляющих аммиак (АОБ) и архей (АОА), в производство N2O варьируется в зависимости от pH почвы, однако до сих пор нет единого мнения о механизме регулирования производства N2O в результате нитрификации в зависимости от pH почвы. В этом исследовании 1-октин (селективный ингибитор АОВ) и ацетилен (ингибитор АОБ и АОА) использовались в эксперименте по инкубации микрокосма, чтобы дифференцировать относительный вклад АОА и АОВ в выбросы N2O в нейтральной (pH = 6,75) среде. ) и щелочные (рН = 8,35) почвы. Мы обнаружили, что внесение аммония (NH4+) заметно стимулировало выработку как АОА, так и связанного с АОБ N2O и увеличивало содержание генов аммонооксигеназы (АМО) АОА и АОБ в двух тестовых почвах. Среди них АОБ доминировал в процессе окисления аммиака в щелочной почве, обеспечивая 70,8% продукции N2O, полученной в результате нитрификации. Напротив, на долю АОА и АОБ приходилось около трети связанного с нитрификацией N2O в кислой почве соответственно. Результаты показали, что pH был ключевым фактором изменения численности и активности АОА и АОБ, что привело к дифференциации производства N2O в фиолетовых почвах. Мы предполагаем, что и содержание NH4+, и pH почвы вместе опосредуют специализацию микроорганизмов, окисляющих аммиак; и результаты специализации, и выход N2O привели к различным характеристикам выбросов N2O в пурпурных почвах. Эти результаты могут помочь в разработке стратегий сокращения выбросов N2O в будущем.

N2O представляет собой следы парникового газа, потенциал потепления которого в атмосфере в 265 раз выше, чем у CO2 (в 100-летнем масштабе), и он разрушает стратосферный озон1. Глобальная концентрация N2O в атмосфере составила 328,8 частей на миллиард в 2015 году, увеличившись на 21% со времени промышленной революции2. Устойчивые выбросы при нынешних темпах приведут к увеличению еще на 18% до 2030 года по сравнению с текущими прогнозами3. Удобренные сельскохозяйственные почвы являются горячей точкой выбросов значительного количества N2O в атмосферу, на долю которых приходится около 60% глобальных выбросов N2O в атмосферу4. Однако растущий спрос на продукты питания, животноводство и энергию биомассы неизбежно будет сопровождать постоянное применение химических удобрений. Поэтому особенно важно понять механизм, ответственный за производство N2O из удобренной почвы, чтобы найти оптимальные меры регулирования выбросов N2O для устойчивого сельского хозяйства.

В агроэкосистемах N2O образуется в результате нитрификации и денитрификации, осуществляемой почвенными микроорганизмами5,6, а незначительная часть этого процесса также вносится в некоторые абиотические процессы7. Нитрификация является основным процессом производства N2O при соответствующем содержании кислорода в почве. Окисление аммиака (т.е. NH3 окисляется до NO2- через промежуточный продукт NH2OH) считается основной и лимитирующей стадию нитрификации. И аммиакокисляющие археи (АОА), и аммиакоокисляющие бактерии (АОБ) обладают генетическим потенциалом окисления аммиака, что приводит к образованию N2O8,9. AOB может производить N2O, который действует как промежуточный продукт, путем неполного окисления NH2OH до NO10 или путем регулирования денитрификации нитрификатором при восстановлении NO2- до NO и N2O11. Напротив, N2O, продуцируемый АОА, объясняется множеством процессов, обычно обнаруживаемых в чистых и накопительных культурах, но на сегодняшний день не было четких доказательств поддержки производства N2O посредством ферментативно-каталитической реакции АОА в почвах12. Кроме того, недавно открытые и широко распространенные полные окислители аммиака (comammox), которые действуют как одна из функциональных групп, окисляющих аммиак, представляют собой неопределенное влияние на выбросы N2O, хотя некоторые исследования предполагают, что они играют незначительную роль, чем AOB13,14.