2019-06-20
正文
最近，派森諾生物與福建農(nóng)林大學合作，在土壤科學領(lǐng)域雜志《Biology and Fertility of Soils》（影響因子：3.808）發(fā)表新一期研究論文，揭示了水稻土中厭氧氨氧化細菌群落活性，豐度和組成對不同施肥方式的響應。
研究背景
厭氧氨氧化作用的發(fā)現(xiàn)使得農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)變得更加復雜，它涉及厭氧條件下氨氧化以及亞硝酸鹽還原和氮氣生成中氮的去除。由于直接產(chǎn)物是N2而不是N2O，厭氧氨氧化是一種環(huán)保的、被忽視的除氮途徑，可以替代異養(yǎng)反硝化作用。
農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中厭氧氨氧化的廣泛分布可能導致氮損失，而這一點通常被忽視。這種顯著的氮損失可以解釋稻田氮素流失的差異，這種差異不能歸因于NH3揮發(fā)，N2O排放，徑流或淋溶，這表明厭氧氨氧化可能在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的氮去除中發(fā)揮重要作用。
研究目的
選擇三種超過34年的不同施肥方式的水稻土壤，研究不同管理方式（是否添加秸稈）如何影響厭氧氨氧化細菌活性、豐度、多樣性以及對氮損失的貢獻量。
研究方法
測序技術(shù)：Illumina MiSeq 高通量測序平臺
測序模式：厭氧氨氧化細菌16S rRNA基因（該研究采用巢式PCR：一輪引物為PLA46f-630r，二輪引物為Amx368f-820r）
實驗設(shè)計：
土壤為灰黃色水稻土，土壤質(zhì)地較重，主要初始化學性質(zhì)如下：
pH 4.90
總有機物 21.6 g kg-1
堿解氮 141 mg kg-1
有效磷 12 mg kg-1
有效鉀 41 mg kg-1
CK處理土壤水分顯著高于NPK處理和NPKS處理。氮磷鉀處理后，土壤pH值顯著降低。與CK處理相比，兩種肥料處理中可交換NH4+的濃度均顯著增加，而在三種處理中未觀察到硝酸鹽濃度的顯著差異。CK和NPK處理的總C和總N含量無顯著差異，但明顯低于NPKS處理。土壤EC在長期施肥后顯著增加，可列為NPKS>NPK>CK。因此，NPK和NPKS肥料的施用對土壤性質(zhì)有不同的影響。
表1 長期不同施肥方式對土壤化學性質(zhì)的影響
在三種處理中，hzsB 基因的豐度均在4.9 ~ 6.1×106 copies g -1之間。三種土壤的hzsB 基因數(shù)量存在顯著差異，NPK>NPKS>CK處理。NPK處理的16S rRNA基因豐度明顯低于CK和NPKS處理。然而，NPK處理組中的厭氧氨氧化細胞數(shù)在總細菌細胞數(shù)的比例高于CK和NPKS處理組。
總體而言，在所有處理中，反硝化速率遠高于厭氧氨氧化速率。厭氧氨氧化可能產(chǎn)生的總氮損失僅約6.2-7.8％，而其余部分則通過反硝化作用釋放（N2產(chǎn)量的92.2-93.8%）。NPKS處理（2.4 nmol Ng-1 h-1）中的厭氧氨氧化速率高于CK和NPKS處理（1.7和1.8 nmol N g-1 h-1）。NPKS處理(36.1 nmol N g?1 h?1)土壤的反硝化活性顯著高于CK (20.1 nmol N g?1 h?1)和NPK (21.2 nmol N g?1 h?1)處理。這說明稻草與化肥聯(lián)合施用是水稻土壤氮素流失的重要處理手段。
圖1 hzsB基因和總細菌16S rRNA基因的厭氧氨氧化細菌豐度（a)，厭氧氨氧化，反硝化活性及其對不同施肥水稻土中總氮產(chǎn)量的貢獻（b）
三個處理獲得總共42個OTU（CK 24個OTU，NPK 20個OTU和NPKS 27個OTU），所有序列主要隸屬于Candidatus Brocadia，Candidatus Anammoxoglobus，Candidatus Scalindua 屬，或未鑒定的Planctomycetaceae。Candidatus Brocadia 是豐度最高的厭氧氨氧化細菌屬（75-89%），它在三組之間沒有顯著差異。Candidatus Anammoxoglobus也在所有處理中都有發(fā)現(xiàn)，其中在NPK中占一小部分，顯著低于CK和NPKS處理組。
在三個處理中均檢測到極低相對豐度的Candidatus Scalindua（0-1.1%），NPKS>NPK>CK。NPK土壤中厭氧氨氧化細菌群落Shannon，Simpson，Chao 1和ACE多樣性指數(shù)低于CK和NPKS土壤，說明長期施用化肥（NPK）土壤厭氧氨氧化細菌群落多樣性最低。
圖2 不同施肥水稻土中厭氧氨氧化菌的群落組成
總結(jié)
總之，厭氧氨氧化菌對稻田土壤肥料的反應不同，因為厭氧氨氧化菌群落的活性，豐度和多樣性隨著不同的施肥而變化。無機肥料與稻草復合處理提高了厭氧氨氧化細菌的活性及其多樣性，而單一施用化肥為厭氧氨氧化細菌細胞提供了良好的棲息地，但對其活性沒有影響。未來的研究需要解決不同農(nóng)業(yè)土壤受到不同施肥方式對厭氧氨氧化過程的影響。
文章索引
Nie, San’an, Lei X , Zhao L , et al. Response of activity, abundance, and composition of anammox bacterial community to different fertilization in a paddy soil[J]. Biology and Fertility of Soils, 2018.
