外源Fe(Ⅲ)影响水稻土N2O释放的微生物分子机制

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氧化亚氮(N2O)作为三种重要的温室气体之一,它不仅会导致全球气候暖,同时也破坏平流层中的臭氧层。土壤是N2O排放的重要源头,大量N2O的排放不仅破坏生态环境,也导致氮肥利用率的降低。我国水稻种植广泛,稻田面积约2892万公顷,有研究发现,水稻土氧化还原状态的变化与N2O释放有密切关系。而作为土壤中含量极丰富的氧化还原物质Fe,与土壤中N2O释放的关系却并不明确。为揭示水稻土中Fe(Ⅲ)对N2O释放及硝化和反硝化功能微生物的影响,本研究选取第四纪红壤发育的水稻土,设置三个水铁矿添加水平(0、10、40μmolFe g-1土)和两个土壤质量含水量(50%和80%)进行土壤培养试验,利用实时荧光定量PCR和末端限制性片段长度多态性分析技术开展研究。得出的主要研究结果如下:  外源Fe(Ⅲ)显著改变了水稻土N2O的释放速率:在培养开始的12h内,与对照相比,添加铁处理尤其是添加高量铁处理显著降低了N2O的释放速率;而12h之后,对照处理N2O的释放速率迅速下降,虽然加铁处理N2O的释放速率也逐渐降低,但下降速度明显低于对照处理,所以12h之后,添加铁处理尤其是高量铁处理保持了比对照更高的N2O释放速率。且外源铁对N2O释放的影响在两个水分条件下都表现出同样的趋势。  N2O的释放速率与NO3--N的含量成极显著负相关(P<0.01),而与NH4+-N含量关系不明显。表明,外源Fe(Ⅲ)影响NO3-的还原,是导致N2O释放速率发生改变的重要原因。  外源Fe(Ⅲ)对硝化微生物功能基因Arch-amoA、Bact-amoA丰度的影响在低水分条件下仅在个别时间点存在差异,在高水分条件下外源铁虽导致Arch-amoA、Bact-amoA丰度的改变,但其与N2O释放的关系并不明确。外源Fe(Ⅲ)显著改变了反硝化微生物功能基因narG、nosZ的丰度,且narG、nosZ的丰度变化与N2O的释放速率变化趋势基本相同,统计分析发现,培养的前12h,narG基因丰度与N2O释放速率成显著正相关关系(P<0.05)。表明,反硝化微生物功能基因narG、nosZ的丰度变化可能是导致加铁处理间N2O排放差异的重要原因,而硝化微生物功能基因丰度对N2O排放影响较小,其与N2O释放的关系还需进一步研究。  不同水平外源Fe(Ⅲ)处理并未导致含narG、nosZ、Bact-amoA微生物的优势种群发生显著性变化,仅引起一些低丰度片段微生物的改变,但这些低丰度片段微生物对N2O释放的贡献率并不清楚。而氨氧化古菌在两个水分条件下优势种群发生改变,且在高水分条件下也受到外源铁的影响,介于氨氧化古菌本身就不稳定,所以它与N2O释放的关系还需进一步研究。因此,氨氧化古菌、氨氧化细菌及含narG、nosZ的微生物群落结构与N2O的排放关系还需深入研究分析。  总之,本研究中N2O的释放可能主要来自反硝化过程,而外源Fe(Ⅲ)影响反硝化功能基因narG、nosZ的丰度,并抑制NO3-的还原,是导致N2O释放速率的改变的根本原因。而硝化功能基因Arch-amoA、Bact-amoA的丰度和氨氧化古菌、氨氧化细菌及含narG、nosZ的微生物群落结构与N2O的关系值得进一步研究。
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