二甲基二硫熏蒸处理后土壤氨氧化微生物的动力学特征

Preplant soil fumigation is an effective way to control soilborne disease and pests. Dimethyl disulfide (DMDS), as a novel and biological soil fumigant, seems to be highly effective against soilborne pathogens and weeds, especially for nematodes and DMDS is an important alternative for methyl bromide. DMDS has significant effect on soil oxidizers besides soil pathogens, due to its broad biocidal activity. Previous studies indicated fumigation would cause disturbance to soil ammonia oxidizers and retard soil ammonia oxidation activities. But the potential mechanisms and kinetic characteristics of ammonia oxidizers are still unclear. The objective of our study is to investigate the inhibitory effect and kinetic characteristics for ammonia oxidizers in soils after treated DMDS. Lab incubations and field experiments were carried out to determinate the competitive inhibition effect of DMDS on the active site of ammonia monooxygenase and kinetic characteristics for ammonia oxidizers after fumigated with DMDS. The diversity and abundance of the ammonia oxidizers were characterized by quantitative PCR and high-throughput sequencing approaches. Results of our study would provide important scientific evidence for microbial mechanisms and succession of ammonia oxidizers in DMDS fumigated soils.

熏蒸消毒处理是解决作物土传病虫害的最有效手段之一。二甲基二硫作为一种新型生物源土壤熏蒸剂，对土传病害和杂草、尤其是线虫具有优异的防治效果，是淘汰破坏臭氧层物质溴甲烷的重要替代品。由于其广谱的杀菌活性，在控制病原微生物的同时也会影响到土壤中氨氧化微生物。前期研究表明，经熏蒸处理会改变土壤中氨氧化作用强度，抑制氨氧化微生物的活性，但具体的作用机制和后期恢复动力学特征还不明确。为探究二甲基二硫对土壤氨氧作用抑制特性和药剂处理后氨氧化微生物恢复的动力学特征，项目结合室内熏蒸培养和田间试验，以驱动氨氧作用关键基因amoA为对象，采用定量PCR和高通量测序手段，研究药剂处理后氨氧化能力的动态变化以及氨氧化微生物功能基因丰度和群落结构的动态响应，解析药剂对氨单加氧酶活性位点竞争抑制特性和典型土壤中药剂处理后氨氧化作用恢复的动力学特征，为揭示二甲基二硫熏蒸处理后土壤氨氧化微生物演替和响应机制提供科学依据。

二甲基二硫（DMDS）作为一种新型生物源土壤熏蒸剂，对土传病虫害、尤其是线虫具有优异的防治效果，是破坏臭氧层物质溴甲烷的重要替代品。由于其广谱的杀菌活性，在控制病原微生物的同时也会影响到土壤中非靶标微生物。土壤中氨氧化微生物是驱动氨氧化作用的主要功能微生物，也是土壤氮素循环过程中的一类重要微生物。项目以 DMDS 对土壤氨氧化作用的抑制效应为切入点，从微生物恢复动力学角度解析了氨氧化作用在受到DMDS 药剂扰动后的演替规律，明确了典型土壤熏蒸处理后硝化作用的恢复及其动力学特征；同时结合多样性分析从分子生态学角度解释了熏蒸处理对氨氧化微生物的抑制效应。采用硝化作用动力学模型拟合了4种典型土壤中熏蒸后硝态氮随时间的变化，动力性特征参数表明，熏蒸处理后土壤中最大硝化作用速率发生的时间tmax值均大于未熏蒸土壤。典型酸性土低剂量添加后硝化作用被延缓了1.71倍，高剂量被延缓了4.29倍；中性砂壤土低剂量添加后硝化作用被延缓了1.37倍，高剂量被延缓了1.93倍，熏蒸处理后土壤硝化作用短期被显著延缓，后期培养逐渐恢复，土壤pH和质地是影响硝化作用恢复的主要土壤因子。为深入解析熏蒸对硝化作用抑制的生物学机制，采用定量PCR和高通量测序研究了熏蒸处理后氨氧化微生物物种组成和丰度的变化。3种典型酸性土熏蒸处理后AOA和AOB amoA基因丰度均有显著降低，分别降低了9.2%和6.53%，但在砂壤土中未表现出显著降低，结果与氮素动力学特征一致，表明氨氧化功能基因丰度下降是硝化作用受到抑制的主要原因。多样性分析结果显示熏蒸处理后早期氨氧化微生物多样性指数有一定下降，但后期多样性指数与未熏蒸处理之间也无显著差异。DMDS作为溴甲烷的重要替代品之一，研究结果为揭示熏蒸处理后土壤氨氧化微生物演替和重建机制奠定了理论基础，也为DMDS的广泛应用提供了科学依据。