稻田土壤厌氧氨氧化协同铁还原为途径的气态氮素损失过程及其机理的研究

发布时间：2020-07-14 08:47

【摘要】：土壤中厌氧氨氧化协同铁还原过程,被称为铁氨氧化反应(Feammox),是厌氧条件下土壤氮素去除的新途径。施肥作为一种重要的农艺措施,其对铁氨氧化过程的影响及作用机制亟待研究。本研究在以南方长期施肥的稻田土壤为研究对象,进行室内土壤泥浆化培养试验,采用15N同位素标记结合定量PCR的方法,表征铁氨氧化反应速率及微生物的响应,并以生物质炭为载体,对驱动该反应的深层“电子传递体”调控机制进行探究。本研究从铁氨氧化反应速率表征入手,揭示微观层面各要素的贡献,最后进行微生物驱动的调控机制验证,完成了“施肥导致铁氨氧化速率差异”这一科学问题“现象-原因-本质”的探索,为理解施肥条件下稻田土壤氮循环过程提供理论依据和数据支撑。研究概述如下:(1)通过田间不同施肥土壤样本的高通量测序,得出长期施肥过程能够显著提高土壤中铁氨氧化功能微生物和铁还原相关微生物丰度,表明施肥后土壤中可能存在极大的铁氨氧化潜势。(2)进行室内土壤培养试验,量化四种不同施肥土壤中铁氨氧化反应速率强弱,探究相关微生物群落组成和分布,预测其对稻田生态系统氮损失贡献率,结果表明不施肥土壤中经由铁氨氧化过程的氮素损失量为3.64 kgN ha-1 year-1,而在施肥土壤中这一损失量高达15.97-24.91 kgN ha-1 year1,功能微生物酸微菌科A6和有机质输入触发的“电子传递体”机制是导致其差异的主要原因。(3)以生物质炭为载体,在不同铁源存在的情况下,验证以上土培试验过程中“电子传递体”机制对反应的影响,“微生物-电子穿梭体-铁氧化物”主导的电子传递体系,能构建微生物及其受体之间电子传递的闭环,是调控铁氨氧化反应过程的内在驱动机制。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S154.3;S153
【图文】：

循环过程,土壤氮素

图１．１邋土壤氮素循环过程（Ｒｕｉｚ邋Ｕｒｉｇｕｅｎ；２０１４）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｎｉｔｒｏｇｅｎ邋ｃｙｃｌｉｎｇ邋ｉｎ邋ｓｏｉｌｓ逡逑

氨氧化,纯培养

图１．２铁氨氧化的不同反应通路逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｐａｔｈｗａｙｓ邋ｉｎ邋Ｆｅａｍｍｏｘ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ逡逑１．３邋土壤气态氮损失相关微生物驱动机制逡逑在微生物学领域，纯培养的方法是研究微生物生理学和遗传学特性行之有效逡逑的经典方法。然而，在复杂的土壤条件下，能直接纯化培养的微生物只占土壤总逡逑量的０．３％，因此，基于富集培养的研究方法会低估土壤微生物的多样性（Ａｍａｎｎ逡逑ｅｔａＬ，１９９５）。借助分子生物学手段（定量ＰＣＲ；克隆测序；高通量测序等）探究土逡逑壤微生物的多样性，能够打破传统纯培养方法的限制，已经被广泛应用于氮循环逡逑微生物的研究中（表１．１）。该方法能够从核糖体ＲＮＡ的水平上研究土壤微生物群逡逑落的特征，并能够表征某些编码特定蛋白的功能基因的丰度及活性。逡逑

功能基因,不同施肥处理,丰度,微生物

邋ｉ邋ｉ逡逑图２．２不同施肥处理下，土壤反硝化微生物功能基因丰度逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．２邋Ａｂｕｎｄａｎｃｅ邋ｏｆ邋ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｉｕｎｃｔｉｏｎａｌ邋ｇｅｎｅｓ邋｛ｎａｒＧ，邋ｎｉｒＳ，邋ｎｉｒＫ，逡逑ｎｏｓＺ）邋ｉｎ邋ｓｏｉｌ邋ｓａｎｐｌｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ邋ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ逡逑２０逡逑

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