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水钠锰矿提高红壤性水稻土N2O释放速率和氨氧化细菌amoA基因丰度

邢志强 左继超 付庆灵 胡红青 朱俊

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水钠锰矿提高红壤性水稻土N2O释放速率和氨氧化细菌amoA基因丰度

    作者简介: 邢志强 E-mail:1035231806@qq.com;
    通讯作者: 付庆灵, E-mail:fuqingling@mail.hzau.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFD0200500);国家自然科学基金项目(41771270)。

Birnessite increases N2O release rate and amoA gene abundance of ammonia-oxidizing bacteria in red paddy soil

  • 摘要:   【目的】  土壤中的氧化亚氮 (N2O) 来源于硝化与反硝化作用,锰可以与硝化或反硝化作用产物反应产生N2O或氮气,已有研究表明土壤中锰含量高会影响硝化作用。因此,本试验以水钠锰矿 (KMnO2·H2O) 与土壤硝化作用与反硝化作用的生物化学耦合反应为切入点,研究了水钠锰矿的添加对土壤N2O释放速率及微生物的影响,对理解N2O释放与土壤环境因子的相互作用提供新的角度。  【方法】  以红壤性水稻土为供试土壤,通过微宇宙培养试验,在土壤中添加不同质量百分比的水钠锰矿 (0%、0.1%、0.3%、0.7%、1.5%),预培养7 天后,加入硫酸铵N 100 mg/kg继续培养14天。在培养第1、3、7、14天,采用气密性注射器抽取10 mL气体样品,气相色谱仪测定N2O含量;同时取土壤样品,比色法测定铵态氮与硝态氮含量。培养结束时,测定土壤pH,采用实时荧光定量PCR测定土壤16S rDNA与氨氧化细菌 (AOB)amoA基因拷贝数,高通量测序技术分析微生物群落组成及多样性。  【结果】  水钠锰矿提高了土壤N2O释放速率,增加了土壤N2O累积释放量,以添加0.1%水钠锰矿的N2O累积释放量最高,添加1.5%的最低。土壤铵态氮随培养时间迅速降低,硝态氮含量则迅速增加。水钠锰矿显著提高了土壤pH值与表观N2O产量 (N2O-N/NO3-N),pH随着添加量的增加逐渐提高,N2O-N/NO3-N则随着添加量的增加逐渐降低。适量水钠锰矿显著增加了土壤细菌16S rDNA与氨氧化细菌 (AOB) amoA基因拷贝数,并显著提高了土壤16S rDNA与AOB amoA基因拷贝数的比值,但随着水钠锰矿添加量的增加,细菌16S rDNA和AOB amoA基因拷贝数的增加量逐渐降低;放线菌、变形菌与拟杆菌是所有处理中的优势菌门,通过非度量多维尺度分析发现不同处理间的微生物群落结构差异显著,未添加水钠锰矿处理与添加水钠锰矿1.5%处理的微生物群落结构差异最大,其他处理的微生物群落结构介于两者之间。  【结论】  添加水钠锰矿0.1%左右可以通过增加AOB的数量促进红壤性水稻土N2O的释放,显著影响微生物物种丰度与群落结构。但高添加量对AOB的刺激作用减弱,因此,应将土壤锰含量作为影响土壤N2O释放的影响因素加以考虑。
  • 图 1  水钠锰矿XRD图谱

    Figure 1.  Birnessite XRD spectra

    图 2  添加不同比例水钠锰矿土壤的氧化亚氮释放速率

    Figure 2.  N2O release rate in soils added with different percentage of birnessite

    图 3  添加不同比例水钠锰矿土壤氧化亚氮总释放量

    Figure 3.  Cumulative N2O fluxes in soils added with different percentage of birnessite

    图 4  添加不同比例水钠锰矿土壤铵态氮与硝态氮含量

    Figure 4.  NH4+-N and NO3--N concentrations in soils added with different percentage of birnessite

    图 5  添加不同比例水钠锰矿土壤pH变化

    Figure 5.  pH change of soils added with different percentage of birnessite

    图 6  添加不同比例水钠锰矿土壤表观N2O产量

    Figure 6.  Apparent N2O yield of soils added with different percentage of birnessite

    图 7  添加不同比例水钠锰矿土壤16S rDNA与AOB amoA基因拷贝数

    Figure 7.  16S rDNA and AOB amoA gene copies in soils added with different percentage of birnessite

    图 8  添加不同比例水钠锰矿土壤AOB amoA基因拷贝数/16SrDNA基因拷贝数

    Figure 8.  AOB amoA gene copies/16S rDNA gene copies in soils added with different percentage of birnessite

    图 9  添加不同比例水钠锰矿土壤细菌在门与属水平上的相对丰度

    Figure 9.  The relative abundance of bacteria at the level of phylum and genus in soils added with different percentage of birnessite

    图 10  添加不同比例水钠锰矿土壤微生物群落Weighted Unifrac (A) 与Unweighted Unifrac (B) 非度量多维尺度分析

    Figure 10.  Soil microbial community weighted unifrac (a) and unweighted unifra (B) NMDS with different percentage of birnessite

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-02

水钠锰矿提高红壤性水稻土N2O释放速率和氨氧化细菌amoA基因丰度

  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFD0200500);国家自然科学基金项目(41771270)。
  • 摘要:   【目的】  土壤中的氧化亚氮 (N2O) 来源于硝化与反硝化作用,锰可以与硝化或反硝化作用产物反应产生N2O或氮气,已有研究表明土壤中锰含量高会影响硝化作用。因此,本试验以水钠锰矿 (KMnO2·H2O) 与土壤硝化作用与反硝化作用的生物化学耦合反应为切入点,研究了水钠锰矿的添加对土壤N2O释放速率及微生物的影响,对理解N2O释放与土壤环境因子的相互作用提供新的角度。  【方法】  以红壤性水稻土为供试土壤,通过微宇宙培养试验,在土壤中添加不同质量百分比的水钠锰矿 (0%、0.1%、0.3%、0.7%、1.5%),预培养7 天后,加入硫酸铵N 100 mg/kg继续培养14天。在培养第1、3、7、14天,采用气密性注射器抽取10 mL气体样品,气相色谱仪测定N2O含量;同时取土壤样品,比色法测定铵态氮与硝态氮含量。培养结束时,测定土壤pH,采用实时荧光定量PCR测定土壤16S rDNA与氨氧化细菌 (AOB)amoA基因拷贝数,高通量测序技术分析微生物群落组成及多样性。  【结果】  水钠锰矿提高了土壤N2O释放速率,增加了土壤N2O累积释放量,以添加0.1%水钠锰矿的N2O累积释放量最高,添加1.5%的最低。土壤铵态氮随培养时间迅速降低,硝态氮含量则迅速增加。水钠锰矿显著提高了土壤pH值与表观N2O产量 (N2O-N/NO3-N),pH随着添加量的增加逐渐提高,N2O-N/NO3-N则随着添加量的增加逐渐降低。适量水钠锰矿显著增加了土壤细菌16S rDNA与氨氧化细菌 (AOB) amoA基因拷贝数,并显著提高了土壤16S rDNA与AOB amoA基因拷贝数的比值,但随着水钠锰矿添加量的增加,细菌16S rDNA和AOB amoA基因拷贝数的增加量逐渐降低;放线菌、变形菌与拟杆菌是所有处理中的优势菌门,通过非度量多维尺度分析发现不同处理间的微生物群落结构差异显著,未添加水钠锰矿处理与添加水钠锰矿1.5%处理的微生物群落结构差异最大,其他处理的微生物群落结构介于两者之间。  【结论】  添加水钠锰矿0.1%左右可以通过增加AOB的数量促进红壤性水稻土N2O的释放,显著影响微生物物种丰度与群落结构。但高添加量对AOB的刺激作用减弱,因此,应将土壤锰含量作为影响土壤N2O释放的影响因素加以考虑。

    English Abstract

    • 氧化亚氮 (N2O) 由于其化学稳定性可以在大气中存在一个世纪之久,长期对全球气候造成影响[1]。N2O作为重要的温室气体[2],其不仅造成很强的温室效应,还是臭氧层破坏的主要因素之一[3]。作为世界三大粮食之一,水稻在全世界的种植面积约为1.55亿公顷[4],为了满足日益增加的粮食需求,过量的氮肥被施入到稻田土壤中,而水稻生态系统的氮肥利用率通常达不到其他耕作系统的一半[5],其中部分氮素以N2O的形式损失[6-7]

      锰是原生矿物风化产生的主要元素之一,其在大多数土壤中的含量为0.07%~4.00%[8-9]。锰的活性与土壤pH密切相关,pH每下降一个单位,锰的活性相应地提高一百倍[10]。因此,锰的毒性可能是酸性土壤中对硝化作用与反硝化作用产生非生物胁迫的重要因素。在弱酸性土壤中加入含锰元素的工业污泥抑制了硝化作用,并且加入3%的二氧化锰显著降低了土壤硝化速率与氨氧化细菌与古菌的amoA基因拷贝数[11-13]

      在厌氧条件下,锰氧化物还可以作为硝化过程中铵离子的末端电子受体[14]。因此,在厌氧以及锰富集的环境中,锰氧化物可以作为末端电子受体参与铵离子转化为氮气、亚硝酸根或者硝酸根的生物氧化过程[15-16],而随后由于反硝化过程中的亚硝酸根以及硝酸根可以与被还原的锰氧化物耦合将其再次氧化,从而提供新的锰氧化物参与硝化过程并导致更加严重的氮损失[17-20]

      关于锰氧化物在施肥量大的红壤性水稻土中与氮素转换之间的相互关系知之甚少,本文研究了不同锰氧化物添加量对土壤N2O释放速率与微生物群落结构的影响,并假设添加锰氧化物影响土壤N2O释放速率以及土壤微生物群落结构,且不同添加量表现出不同的影响。

      • 土壤为湖北省咸宁市贺胜桥镇 (29º57′N、114º16′E) 红壤性水稻土,母质类型为第四纪沉积物Q2。土壤pH 5.3、有机碳26.4 g/kg、全氮1.2 g/kg、铵态氮18.3 mg/kg、硝态氮29.0 mg/kg、全锰229.2 mg/kg、HCl提取态锰45.6 mg/kg、土壤最大持水量62.5%。

        在水稻种植前的5月份使用直径为5 cm的土壤取样器随机取0—20 cm的耕层土壤,去除明显的石砾、动植物残体后混合均匀。在室温下风干至约为15%质量的含水量,然后取一部分过2 mm孔径的筛子,储存在–20℃冰箱中用于后续的培养试验,另一部分用于测定理化性质。

      • 将2 mol浓盐酸匀速滴加到2.5 L 0.4 mol/L的沸腾的高锰酸钾溶液中,滴加过程中持续搅拌高锰酸钾溶液,滴加结束后继续沸腾10 min,将得到的沉淀离心并用去离子水反复冲洗至上清液电导率低于5 μS/cm,然后在60℃下老化12 h,得到钾含量9.5%、比表面积32 m2/g的水钠锰矿[21],将水钠锰矿研磨过0.149 mm的筛子,通过X射线衍射仪鉴定得到水钠锰矿粉末 (图1)。

        图  1  水钠锰矿XRD图谱

        Figure 1.  Birnessite XRD spectra

      • 将水钠锰矿以0.1%、0.3%、0.7%、1.5%的质量百分比与风干过筛后的土壤充分混合,同时设置不添加水钠锰矿 (0%) 的对照处理 (CK)。

        取相当于25 g干重的添加水钠锰矿土壤与对照土壤样品分别放入300 mL的培养瓶中,调节土壤含水量为80%土壤最大持水量 (土壤最大持水质量含水量为62.5%),放入25℃恒温避光培养箱中预培养7天以恢复微生物活性。

        预培养结束后,以水溶液的形式将硫酸铵 (N 100 mg/kg) 加入土壤,并调节土壤含水量为100%土壤最大持水量,每个处理重复3次,分别在1、3、7、14天使用橡皮塞密封培养瓶2 h,在密封前后分别使用气密性注射器抽取10 mL气体样品,气体取样结束后将橡胶塞拔出,使培养瓶进行空气交换直至下一次气体取样。每次取气体样的同时使用破坏性取样方式进行土壤取样,其中一部分样品保存在–20℃冰箱中测定理化指标,另一部分保存在–80℃超低温冰箱中测定生物指标。使用气相色谱仪 (Agilent GC7890A) 分析气体样品中的N2O含量;使用2.5∶1的水土比浸提土壤,复合电极法测定土壤pH;使用2 mol/L的KCl溶液浸提,比色法测定土壤铵态氮与硝态氮含量[22-23]

      • 根据培养开始后不同时间测定的N2O浓度,使用Slope函数计算N2O浓度随时间变化的曲线斜率,选择| R2 | > 0.9的数值,按下式计算N2O释放速率 (P):

        $ P = \frac{{dc}}{{dt}} \times \frac{v}{{Mv}} \times \frac{{Mw}}{w} \times \frac{{273}}{T} $

        式中:P为N2O释放速率[mg/(kg·d)];dc/dt为培养瓶中N2O浓度随时间线性变化的曲线斜率[µL/(L·d)];V为培养瓶中气体体积 (L);Mv为标准状态下1 mol气体体积 (L);Mw是N2O的摩尔质量 (g);W为干土质量 (g);T为温度 (K)。

        N2O释放量用两次取气体样的氧化亚氮释放速率的平均值乘以取样时间间隔进行计算。

      • 使用MOBIO PowerSoil® DNA Isolation Kit (MOBIO Laboratories,Carlsbad,CA,USA) 试剂盒提取培养结束时的土壤样品的DNA,使用NanoDropTM One (NanoDrop,PeqLab,Germany) 检测DNA浓度和纯度,于–20℃储存。

        使用Applied Biosystems StepOnePlusTM Real-Time System进行氨氧化细菌amoA16S rDNA基因的定量PCR,以分别估计氨氧化细菌与细菌的群落丰度。16SrDNA引物序列:515F,GTGCCAGCMGCCGCGGTAA;806R,GGACTACHVGGGTWTCTAAT[24]。AOB引物序列:amoA-1F,GGG GTT TCT ACT GGT GGT;amoA-2R,CCC CTC KGS AAA GCC TTC TTC[25]。试验中使用20 μL反应体系:SYBR® Select MasterMix (2X) 10 μL,上游引物1 μL,下游引物1 μL,DNA模板2 μL,Nuclease-Free Water 6 μL。扩增参数:95℃ 5 min,40 × (95℃ 15 s,53℃ 30 s,72℃ 30 s)-16S rDNA,95℃ 5 min,40 × (95℃ 15 s,58℃ 30 s,72℃ 30 s)-AOB amoA

      • 使用Illumina Hiseq 2500平台对构建的扩增子文库进行PE250测序,16S rDNA引物序列:515F,GTGCCAGCMGCCGCGGTAA;806F,GGACTACHVGGGTWTCTAAT[24]。试验中使用50 μL反应体系:Premix Taq 25 μL,上游引物 (10 mM) 1 μL,下游引物 (10 mM) 1 μL,DNA模板3 μL,Nuclease-Free Water 20 μL。扩增参数:94℃ 5 min,30 × (94℃ 30 s,52℃ 30 s,72℃ 30 s),72℃ 10 min。

        使用Trimmomatic V0.33对双端的Raw Reads数据进行质量过滤,过滤含N的Reads、质量值低于20的Reads,得到质控后的Paired-End CleanReads。根据PE Reads 之间的Overlap 关系,使用FLASH V1.2.11对PE Reads 进行拼接,获得原始的拼接序列 (Raw Tags)。根据序列首尾两端的Barcode和引物信息等,使用Mothur V1.35.1将序列分配至相应的样品中,得到有效的拼接片段 (Clean Tags)。

        使用Usearch V10对样品的Clean Tags 进行聚类,默认以97%的一致性 (Identity) 将序列聚类成为OTU (Operational Taxonomic Units),默认聚类方法为Uparse。基于均一化的OTU丰度表,使用QIIME V1.9.1中的Alpha_Diversity.py与Beta_Diversity.py脚本进行Alpha多样性指数与Beta多样性距离计算。

      • 使用Origin 2018C绘图、IBM SPSS Statistics 25进行方差分析和最小显著性差异法 (LSD) 比较不同处理之间N2O释放量与微生物基因丰度的差异,使用R软件进行Beta 多样性组间差异分析。

      • 在14天培养过程中,4个加水钠锰矿处理的N2O释放速率均在第3天最大,达到峰值,之后迅速下降。添加比例为0.1%处理的N2O释放速率高于其他处理,第3天峰值时的释放率为238.3 μg/(kg·d);其他添加量处理的释放速率与不添加对照 (0%) 相比,均有不同程度地增加,直至第14天,仍有一定的促进作用 (图2)。

        图  2  添加不同比例水钠锰矿土壤的氧化亚氮释放速率

        Figure 2.  N2O release rate in soils added with different percentage of birnessite

        培养期间水钠锰矿处理的土壤N2O累积释放量均显著高于对照 (P < 0.05),不同水钠锰矿处理间N2O累积释放量差异显著,其中0.1%处理的释放量显著高于其他水钠锰矿处理,释放量为1595.7 μg/kg,而1.5%处理的N2O释放量则显著低于其他水钠锰矿处理,仅为0.1%处理的39%,0.3%与0.7%处理的N2O释放量差异不显著 (图3)。

        图  3  添加不同比例水钠锰矿土壤氧化亚氮总释放量

        Figure 3.  Cumulative N2O fluxes in soils added with different percentage of birnessite

      • 培养第1天水钠锰矿处理的NH4+-N含量均高于对照处理,其中0.1%处理最高,含量为127.1 mg/kg,对照处理最低为101.9 mg/kg。培养至第14天时,不同处理NH4+-N含量基本相同,对照处理NH4+-N含量最高,为18.0 mg/kg,0.1%处理的最低,为 14.8 mg/kg (图4)。

        图  4  添加不同比例水钠锰矿土壤铵态氮与硝态氮含量

        Figure 4.  NH4+-N and NO3--N concentrations in soils added with different percentage of birnessite

        培养第1天对照处理的NO3-N含量均高于水钠锰矿处理,为29.5 mg/kg,0.1%处理最低为17.6 mg/kg。培养至第14天时,0.1%处理的NO3-N含量依然最低,为102.0 mg/kg,而1.5%处理的NO3-N含量最高为124.6 mg/kg (图4)。

      • 水钠锰矿显著提高了红壤性水稻土的pH (P < 0.05),整体上随着水钠锰矿添加量的增加而增加,1.5%处理最高,为5.2 (图5)。

        图  5  添加不同比例水钠锰矿土壤pH变化

        Figure 5.  pH change of soils added with different percentage of birnessite

        水钠锰矿处理的表观N2O产量显著高于对照处理,0.1%处理最高,为 19.1‰,但随着水钠锰矿添加量的增加,表观N2O产量逐渐降低,1.5%处理的表观N2O产量为4.5‰,略低于对照处理的4.6‰ (图6)。

        图  6  添加不同比例水钠锰矿土壤表观N2O产量

        Figure 6.  Apparent N2O yield of soils added with different percentage of birnessite

      • 除0.7%处理外,水钠锰矿处理的土壤细菌16S rDNA基因拷贝数显著高于对照处理 (P < 0.05),其中对照处理16S rDNA基因拷贝数为2.67 × 109 copies/g,而0.1%、0.3%、1.5%处理则分别增加到了3.83 × 105、3.30 × 105、3.45 × 105 copies/g (图7)。

        图  7  添加不同比例水钠锰矿土壤16S rDNA与AOB amoA基因拷贝数

        Figure 7.  16S rDNA and AOB amoA gene copies in soils added with different percentage of birnessite

        水钠锰矿处理的土壤AOB amoA基因拷贝数显著高于对照处理 (P < 0.05),其中对照处理amoA基因拷贝数为2.49 × 105 copies/g,而0.1%、0.3%、1.5%处理则分别增加到了5.29 × 105、3.71 × 105、3.50 × 105、4.67 × 105 copies/g (图7)。

        除0.3%处理外,水钠锰矿处理的土壤AOB amoA基因拷贝数与16S rDNA基因拷贝数的比值显著高于对照处理 (P < 0.05),其中对照处理为0.093‰,而水钠锰矿处理随着加入量的增加分别增加至0.139‰、0.113‰、0.132‰、0.136‰ (图8)。

        图  8  添加不同比例水钠锰矿土壤AOB amoA基因拷贝数/16SrDNA基因拷贝数

        Figure 8.  AOB amoA gene copies/16S rDNA gene copies in soils added with different percentage of birnessite

      • 通过对组间差异显著的分类单元进行分析,在界水平上土壤古菌占比仅为1.034%~1.351%,细菌的相对丰度达到97.128%~97.440%。在细菌界中检测到14个门,其中相对丰度最高的8个优势菌门为Proteobacteria (变形菌门)、Acidobacteria (酸杆菌门)、Chloroflexi (绿弯菌门)、Bacteroidetes (拟杆菌门)、Gemmatimonadetes (芽单胞菌门)、Verrucomicrobia (疣微菌门)、Actinobacteria (放线菌门)、Planctomycetes (浮霉菌门)。水钠锰矿提高了土壤Nanoarchaeaeota与Cyanobacteria (蓝藻门) 的相对丰度,但却降低了Chloroflexi的相对丰度。除0.1%处理由对照处理的0.560%降低到0.527%外,Nitrospirae (硝化螺旋菌门) 的相对丰度在加入水钠锰矿后整体高于对照处理,1.5%处理的相对丰度达到0.815% (图9)。

        图  9  添加不同比例水钠锰矿土壤细菌在门与属水平上的相对丰度

        Figure 9.  The relative abundance of bacteria at the level of phylum and genus in soils added with different percentage of birnessite

        通过非度量多维尺度分析与Anosim 相似性分析进行组间群落结构差异显著性分析发现不同处理间群落结构差异显著,在仅考虑物种是否存在时,红壤性水稻土中对照处理与0.1%处理、0.3%处理与1.5%处理的微生物组成相似,而0.7%处理与其他处理差异最大,但是在考虑物种在样本中的丰度分布时,对照处理与1.5%处理的物种丰度差异最大,其他水钠锰矿处理的物种丰度在两者之间,相似性较高 (图10)。

        图  10  添加不同比例水钠锰矿土壤微生物群落Weighted Unifrac (A) 与Unweighted Unifrac (B) 非度量多维尺度分析

        Figure 10.  Soil microbial community weighted unifrac (a) and unweighted unifra (B) NMDS with different percentage of birnessite

      • N2O可以由土壤微生物介导的硝化作用与反硝化作用产生,已有研究表明在土壤中的存在硝化作用的中间产物NH2OH[26],而将MnO2加入NH2OH溶液中时,N2O的回收率达到96%,Heil[27]等通过研究无菌与非无菌的酸性农田,草地以及森林土壤中加入NH2OH后的N2O形成表明土壤pH,C/N与Mn含量与NH2OH诱导的N2O产生显著相关,并提出由于NH2OH的胞外释放以及与土壤基质的反应造成的N2O排放与硝化作用中生物-非生物耦合的N2O排放相当,进一步证明Mn参与土壤NH2OH的氧化。本研究中水钠锰矿增加了土壤N2O释放速率与释放量 (图2图3),与前人理论研究的结果一致,并且水钠锰矿提高了土壤pH (图5),可能促进了土壤氨氧化作用的进行[33],培养期间NH4+-N含量的前后变化也说明水钠锰矿提高了土壤硝化速率,使更多的NH4+-N转化为了NO3-N,从而刺激土壤N2O的排放,表观排放因子的提高也说明硝化作用更多的氮素以N2O形式损失。

        水钠锰矿还可以降低土壤中氨氧化细菌氨单加氧酶 (amoA) 基因拷贝数,Xin等[28]在弱酸性土壤中添加3%的水钠锰矿后土壤氨氧化细菌amoA基因丰度降低39%,而本研究中水钠锰矿显著增加了土壤氨氧化细菌amoA基因拷贝数,其中0.1%处理的氨氧化细菌amoA基因拷贝数相比于对照处理增加了112%,这可能是由于本研究中水钠锰矿添加量最高为1.5%,对氨氧化细菌amoA基因的抑制作用较弱,研究结果也表明随着水钠锰矿添加量的增加,氨氧化细菌amoA基因拷贝数也逐渐降低,后续研究还需要进一步提高水钠锰矿添加量并广泛使用多种土壤进行分析,探究水钠锰矿对氨氧化细菌amoA基因的抑制效果。细菌16S rDNA基因拷贝数在不同处理间的差异与amoA基因拷贝数相似,但水钠锰矿处理中amoA基因拷贝数与16S rDNA基因拷贝数的比值却显著高于对照处理,说明添加水钠锰矿后氨氧化细菌在土壤细菌群落中的占比提高,可能是添加水钠锰矿后土壤N2O排放增加的重要原因。

        Ghosh等[29]使用宏基因组学方法对锰矿床中的微生物多样性进行分析,发现样品中变形杆菌门 (42.47%) 与放线菌门 (23.99%) 的相对丰度最高,在多数土壤样品中均有这两类微生物。Janssen等[30]对矿渣进行16S rRNA基因测序发现变形菌门 (39%) 与酸杆菌门 (19%) 是矿渣中相对丰度最高的成员,其次是疣微菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、浮霉菌门、芽单胞菌门与厚壁菌门,本研究的结果与前人基本一致,相对丰度最高的门依次为变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、拟杆菌门、芽单胞菌门、疣微菌门、放线菌门、浮霉菌门。

        厚壁菌、放线菌、α-、β-与γ-变形菌以及拟杆菌均可以介导土壤锰的形态转化[31-33],水钠锰矿可能促进了此类菌群的生长繁殖,从而改变了微生物群落内部的种群关系,进而影响微生物的群落结构

        锰的环境化学效应极其复杂,并且受土壤类型、pH、土壤含水量的影响,Mn4+可以在有机化合物以及NH4+的氧化过程中作为末端电子受体,将NH4+或有机氮氧化为N2,而Mn2+可以将NO3还原为N2[34-35],因此,锰在土壤氮循环过程中发挥着重要作用。本研究发现水钠锰矿增加了土壤N2O的释放与土壤细菌以及氨氧化细菌amoA基因的丰度,但仍不清楚锰影响土壤N2O释放的机制,需要进一步通过15N-18O的同位素示踪技术研究锰对土壤反硝化作用以及厌氧条件下硝化反硝化作用N2O释放的影响。

      • 水钠锰矿提高了土壤N2O释放速率并显著增加了土壤N2O释放量以及氨氧化细菌amoA基因与细菌16S rDNA基因的丰度,但随着水钠锰矿添加量的增加,其对N2O释放与微生物丰度的激发效应逐渐降低。水钠锰矿显著改变了土壤微生物的群落结构,其中1.5%处理与对照处理的群落结构差异最大。因此,在考虑土壤N2O释放时,应将土壤锰含量作为影响因子进行分析。

    参考文献 (35)
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