基于稳定性同位素技术的硝化抑制剂对我国典型水稻土硝化微生物作用机理研究

The nitrification process driven by microorganisms is the main cause of nitrogen loss and environmental pollution. Nitrification inhibitor can effectively inhibit ammonia oxidizer's activity, improve nitrogen efficiency and reduce ecological environment pollution. Because of the high diversity of ammonia oxidizers, the mechanism of the nitrification inhibitors is still confused. This project is focus on the typical paddy soils in China. Stable isotope probing technique was used to estimate the soil nitrification activity and community structure as well as activity of ammonia oxidizers in response to the application of nitrification inhibitors (DCD, DMPP and Nitrapyrin). The mechanism of nitrification inhibitors were analyzed at metagenome and transcriptome levels by genomic and transcriptome sequencing. Our study would give new insight into mechanism of nitrification inhibitors, and provide a better understanding of nitrogen efficiency and environmental pollution.

微生物驱动的硝化过程是导致我国农业氮肥利用率低及地表水、地下水污染的主要原因，并对温室气体氧化亚氮的排放具有显著影响。硝化抑制剂能够有效抑制微生物硝化活性，从而减缓土壤中铵态氮向硝态氮转化。然而由于硝化微生物遗传代谢多样性很高，硝化抑制剂对不同硝化微生物的作用机制目前仍不明确。本项目拟选取我国典型水稻土为研究对象（东北黑土、江苏潮土、四川紫色土和鹰潭红壤），结合稳定性同位素核酸探针技术，探究三种常用硝化抑制剂（DCD、DMPP和Nitrapyrin）对土壤硝化强度、N2O排放、硝化微生物（AOA、AOB和Comammox）群落结构及活性的影响；并利用同位素标记硝化抑制剂直接示踪目标硝化微生物，综合宏基因组学和转录组学技术，以期揭示硝化抑制剂对水稻土硝化微生物群落和活性影响的分子生物学机制。该研究将深化对土壤硝化抑制剂微生物学机理的认识，为提高农田氮肥利用率和降低其环境污染提供理论支撑。

土壤硝化过程是导致我国农业氮肥利用率低、地表水和地下水污染及温室气体氧化亚氮的排放的主要因素。硝化抑制剂能够有效抑制微生物硝化活性，从而减缓土壤中铵态氮向硝态氮转化。然而由于硝化微生物遗传代谢多样性很高，硝化抑制剂对不同硝化微生物的作用机制目前仍不明确。本研究探究硝化抑制剂作用下的四种典型水稻土壤（东北黑土、江苏潮土、四川紫色土和鹰潭红壤）的氮通量、硝化微生物数量和群落结构以及活性硝化微生物的响应。 通过分别施加不同种类硝化抑制剂（DCD、DMPP 和Nitrapyrin），采用微宇宙培养的方式，动态监测培养体系中无机氮浓度和N2O浓度的变化。据此推测不同硝化抑制剂对土壤硝酸根的积累及氧化亚氮排放的影响。同时，结合分子生物学手段，分析AOA、AOB 和Comammox 在DNA 水平上，功能基因的丰度和群落结构与上述监测指标的关系，研究硝化抑制剂对硝化微生物的作用。并利用DNA-SIP技术，对硝化抑制剂作用下的活性硝化微生物展开研究。研究发现，硝化抑制剂的添加有效减少了农田土壤中的N2O排放。然而，硝化抑制剂并不能有效抑制硝化过程，只是减缓了硝化过程。在微生物水平上，我们发现在绝大多数硝化抑制剂添加处理中只能抑制AOB，而不能抑制AOA，这表明硝化抑制剂在本研究中的选择性抑制作用。因此在AOA具有高活性的土壤中（酸性土壤），硝化抑制剂的选择和施用量需要慎重选择。此外，本研究首次解释了DCD、DMPP和nitrapyrin对农田土壤中全程硝化微生物comammox活性的影响。comammox参与了黑土的硝化过程，并且DCD和DMPP可以有效抑制comammox的活性。但是nitrapyrin不能抑制黑土中comammox的活性。综上，本研究工作发现了DCD、DMPP和nitrapyrin对N2O排放的抑制作用，但是无法抑制硝化过程，主要原因是硝化抑制剂可以抑制AOB但不能抑制AOA。