抑制剂对土壤氨氧化微生物驱动的硝化作用的影响及筛选研究

作     者：孙东旭 

作者单位：山东农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：申天琳

授予年度：2023年

学科分类：0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 083001[工学-环境科学] 07[理学] 08[工学] 0713[理学-生态学] 

主      题：氧化亚氮 一氧化氮清除剂 氮缺乏土壤 生态位 平衡和限制 生物硝化抑制剂 

摘      要：农业生态系统中的硝化作用一直以来都是科学研究的重点领域,减缓硝化作用可以有效提高作物的氮素利用率并减少环境污染。在施肥过程中,大量的尿素或铵基氮肥施入土壤加速了氮素循环,导致硝酸盐(NO)流失并产生温室气体氧化亚氮(NO)。农业生态系统中的NO排放和NO淋失是导致面源污染和氮素利用率降低的主要原因,这两者都是由土壤硝化作用造成的。在土壤中通过尿素配施硝化抑制剂(NIs)以调节氨氧化微生物(AOM)的群落组成是一个非常活跃的研究领域,但目前市场上的大多数硝化抑制剂都是针对氨氧化细菌(AOB)。随着分子生态学技术的不断发展,土壤中主导氨氧化过程的微生物主要有三大种类,包括AOB、氨氧化古菌(AOA)和完全氨氧化细菌(Comammox),它们在土壤中的生态位及其对氨氧化作用的贡献存在很大差异。因此,有必要研究针对AOA和Comammox的硝化抑制剂,用于探讨其对土壤硝化和NO产生的影响,为筛选新型生物源硝化抑制剂提供方向,以期达到精准调控硝化作用,降低NO排放,提高氮素肥效的目的。本研究分别使用双氰胺(DCD)、Carboxy-PTIO(PTIO)和氯酸钠(Na Cl O)作为AOB、AOA和Comammox的硝化抑制剂,研究它们对长期不施氮土壤(NPK)和长期常量施氮土壤(NPK)中硝化作用、NO排放和AOM丰度的影响。结合N同位素示踪技术,分析了NIs对硝化作用和NO排放的影响。另外,本研究通过探索油橄榄果渣(OP)、油橄榄榨油皂脚深加工废液(OL)作为一种新型生物源硝化抑制剂(BNIs)的可能性,以DCD作为对照,简要探究了OP和OL对土壤中尿素转化的影响。主要研究结果如下:(1)尿素配施DCD(U+DCD)和尿素配施氯酸钠(U+Na Cl O)处理均会抑制NPK和NPK土壤的硝化作用,DCD的抑制效果大于Na Cl O。尿素配施PTIO(U+PTIO)处理加速了NPK土壤的硝化进程,对NPK土壤的硝化作用没有表现出抑制效果。(2)土壤中的氮素水平显著影响土壤NO的排放,第7天和第28天NPK各处理均高于同时期的NPK各处理NO的排放。三种抑制剂中,只有DCD显著降低了NPK和NPK土壤中的NO累积排放量,分别为78.9%和95.4%。NPK土壤中,U+PTIO处理由于加速了硝化进程,使其NO的累积排放量在培养第7天和第28天均显著高于仅添加尿素处理(U处理)。NPK土壤中,U+Na Cl O处理抑制了亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的丰度,促进了反硝化过程,NO累积排放量显著高于其它处理。Na Cl O虽然可以抑制硝化作用,但对NO排放没有抑制作用。(3)U+DCD处理显著抑制NPK和NPK土壤中的AOB amo A基因丰度,同时增加了AOA amo A基因丰度。NPK土壤中,U+PTIO处理显著抑制AOA amo A基因丰度,在第7天和第28天分别降低了51%和73.3%,同时增加了113.3%～359.9%的AOB amo A基因丰度;NPK土壤中,U+PTIO处理对AOA amo A基因丰度没有抑制作用,对AOB也没有影响。培养第7天,Na Cl O和PTIO可以抑制Comammox amo A基因丰度,培养28天后,Comammox恢复生长,并且Comammox丰度的降低没有影响AOB丰度的变化。培养第28天,与U处理相比,U+Na Cl O处理显著降低了NPK和NPK土壤中NOB功能基因丰度。(4)AOB丰度与AOA丰度呈高度负相关(r=-0.82,P0.001),长期缺氮土壤中AOB与AOA之间的生态位竞争关系更为活跃。累积NO排放量与AOB amo A基因丰度和土壤NO-N含量呈正相关。培养28天后,累积NO排放量同其它因素之间的相关性变弱。(5)系统发育分析表明,U、U+DCD和U+PTIO三个处理中有9个AOB OUT差异显著,并与亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)和亚硝基螺菌属(Nitrosospira)亲缘关系近。NPK土壤中,Nitrosospira被DCD显著抑制其丰度,它可能是NO排放的关键影响因子。(6)与DCD相比,尿素配施油橄榄榨油皂角深加工废液可以很大程度上将土壤氮素以NH的形式的留存于土壤中,推测主要是橄榄榨油皂角深加工废液中的脂溶性物质对土壤氮素进行有效固持。生物源硝化抑制剂(BNIs)的开发将对我国发展绿色农业,推动资源利用可持续,推动绿色新型高效氮肥产品的研发,具有长远的现实意义。