2018-07-26
派森諾生物再次與上海交通大學合作，在《Science of the Total Environment》（影響因子4.900）上發表文章，揭示化學肥料和有機肥的使用對CH4的排放和產甲烷菌的影響，探討如何在保證產量的基礎上，減少空氣污染。
研究背景
甲烷（CH4）被認為是緊隨二氧化碳（CO2）排名第二的溫室氣體，其在100年間使全球變暖的潛力是CO2的25倍。稻田土壤中的CH4的排放占全球的7%-17%。很多類型的肥料都會增強CH4的排放，特別是有機肥。
本文研究目的是為了探討施用不同肥料對稻田中CH4和產甲烷菌類型的影響，對CH4的排放進行實時監控，也在水稻的整個生長階段考察土壤理化因素的變化，并通過熒光定量PCR和高通量測序來探索產甲烷菌群的結構變化。
研究方法
測序技術：Illumina MiSeq平臺
測序模式：16S rRNA基因V4區
實驗設計：
實驗對象 | 處理方式 | 組名 | 樣品數 |
稻田土壤 | 未施肥 | Ctrl | |
化學肥料施肥 | CT | 3 | |
80%化學肥料+20%有機肥 | MT | 3 | |
有機肥 | OT | 3 |
研究結果
3.1 CH4排放和水稻產量
各個處理組每天CH4的排放趨勢是類似的，在拔節期達到了最高值，并且在OT組中顯著高于MT，CT和Ctrl組。而在季節性CH4的排放統計結果中，在分蘗期是最高的，各個階段的CH4累積沒有顯著性差異。總之，相比于其他處理組，有機肥的施用顯著增加了稻田中每天CH4和季節性CH4的排放。但是，OT組和Ctrl組的水稻產量比CT和MT組要低。
圖1 稻田中每天CH4和季節性CH4的排放量統計
3.2 稻田土壤中有機酸含量
每個處理組的土壤有機酸濃度是不同的。土壤草酸在整個生長階段是緩慢減少的，其在Ctrl和OT組中的平均含量是明顯比CT和MT組更高。對蘋果酸而言，化學肥料和有機肥都降低了其含量。而醋酸鹽在各組中的含量統計結果說明化學肥料減少了醋酸鹽含量。相比之下，檸檬酸和琥珀酸的平均含量在MT和OT組中比較高，腐殖酸在MT組中的平均含量是最高的。
圖2 稻田中有機酸含量
3.3 稻田根際土壤中mcrA和pmoA基因拷貝數
移植后30天，mcrA和pmoA的基因拷貝數都有所減少，隨后直到灌漿期一直是增加的。在成熟期，mcrA和pmoA的基因拷貝數已經減少到很低的水平。從返青期到成熟期，mcrA基因的平均拷貝數在各個處理中沒有顯著差異，但是pmoA基因的拷貝數在各組中有顯著差異。相關性分析結果表明水稻生長階段CH4的排放和mcrA和pmoA的基因拷貝數是顯著負相關的，但是和mcrA/pmoA是正相關，說明mcrA和pmoA基因拷貝數和CH4的排放有著良好的相關性。
圖3 稻田根際土壤中mcrA和pmoA基因拷貝數
3.4 稻田土壤中微生物菌群結構
高通量測序結果發現，門水平上共有四個古菌：Euryarchaeota、Parvarchaeota、Crenarchaeota和Nanoarchaeota。其中Euryarchaeota是含量最大的古菌，雖然在MT和CT組中的豐度比OT和CK組要高，但是在MT和CT組中沒有顯著差異。Crenarchaeota在MT組中的相對豐度要高于其他各組。同時發現Shannon多樣性指數在Ctrl組中比其他處理組要顯著高。
在科水平的物種豐度組成分析中，稻田中Methanocellaceae、Methanosarcinaceae和Methanobacteriaceae的相對豐度在MT和OT組中要比CT和Ctrl組要低。但是有機肥的施用增加了Methanosaetaceae和Methanoregulaceae的相對豐度。而Methanospirillaceae在CT組中的相對豐度要高于其他各組。
圖4 各組中的特有/OTU數量Venn圖分析
圖5 古菌Euryarchaeota在科水平的物種相對豐度分布
通過測序在屬水平上共鑒定到11種產甲烷菌群，Methanocella是主要菌群，在所有處理中的相對豐度達到了43.54%（CT>MT>OT>Ctrl）。從熱圖的分析結果中可以看出，四個處理被分為有機組（MT和OT）和非有機組（CT和Ctrl），聚類形成三個產甲烷菌群。第一個菌群的相對豐度在有機組中高于非有機組，第二個菌群偏向于氮肥的生長環境，第三個菌群受化學肥料影響其豐度是增加的，但是有機肥的施用降低了其豐度。
圖6 產甲烷菌的相對豐度分布和屬水平熱圖
RDA分析用來說明產甲烷菌群結構和理化因子的相關性，可以看到16個環境因子在第一主成分中解釋了各組樣本中80%的差異。在屬水平，土壤醋酸鹽、草酸、AK、AP、TC和H與OT組顯著正相關。琥珀酸鹽、EC和AN和MT組顯著相關，而只有檸檬酸和CT組是相關的。
圖7 稻田根際土壤中產甲烷菌和理化因子的RDA相關性分析
總結
本研究表明，CH4的排放在OT組中明顯比其他三組更高，而且有機肥的施用也增加了土壤有機酸的含量。尤其是有機肥促進了乙酸發酵型產甲烷菌，同時抑制氫營養型產甲烷菌。產甲烷菌群的結構變化和C底物的可用性的增強或許可以解釋OT組中相對其他處理組CH4排放量增加的原因。和OT組相比，MT組一定程度上減緩了CH4的排放，同時保證了水稻的高產。基于此，我們推薦當地的施肥模式應該從300 N kg ha?1的有機肥改變到同等水平的配方施肥。
本研究亮點：
1、CH4的排放和mcrA/pmoA正相關；
2、土壤有效鉀、草酸、醋酸鹽和琥珀酸鹽顯著影響占主導地位的產甲烷菌；
3、有機肥增加了乙酸發酵型Methanosaeta的相對豐度；
4、有機肥減少了氫營養型Methanocella的相對豐度。
參考文獻
Yuan J, Yuan Y, Zhu Y, et al. Effects of different fertilizers on methane emissions and methanogenic community structures in paddy rhizosphere soil[J]. Science of the Total Environment, 2018, 627:770-781.
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969718302754
