Die Beiträge von Ammoniak oxidierenden Bakterien und Archaeen zur Nitrifikation

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 19928 (2022) Diesen Artikel zitieren

1163 Zugriffe

1 Zitate

2 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Es wird angenommen, dass die Nitrifikation einer der primären Prozesse der N2O-Emission im agrarökologischen System ist, der durch Bodenmikroben kontrolliert und hauptsächlich durch den pH-Wert des Bodens, den Sauerstoffgehalt und die NH4+-Verfügbarkeit reguliert wird. Frühere Studien haben gezeigt, dass die relativen Beiträge von Ammoniak oxidierenden Bakterien (AOB) und Archaeen (AOA) zur N2O-Produktion mit dem pH-Wert des Bodens variieren. Es besteht jedoch immer noch kein Konsens über den Regulierungsmechanismus der durch Nitrifikation abgeleiteten N2O-Produktion durch den pH-Wert des Bodens. In dieser Studie wurden 1-Octin (ein selektiver Inhibitor von AOB) und Acetylen (ein Inhibitor von AOB und AOA) in einem Mikrokosmos-Inkubationsexperiment verwendet, um den relativen Beitrag von AOA und AOB zu den N2O-Emissionen in einem neutralen Raum (pH = 6,75) zu differenzieren ) und alkalische (pH = 8,35) Böden. Wir fanden heraus, dass die Änderung von Ammonium (NH4+) nachweisbar die Produktion von AOA- und AOB-bezogenem N2O stimulierte und die Ammoniakmonooxygenase (AMO)-Genhäufigkeit von AOA und AOB in den beiden Testböden erhöhte. Unter anderem dominierte AOB den Prozess der Ammoniakoxidation im alkalischen Boden und trug 70,8 % zur N2O-Produktion aus der Nitrifikation bei. Im Gegensatz dazu machte der Beitrag von AOA und AOB jeweils etwa ein Drittel des nitrifikationsbedingten N2O in sauren Böden aus. Die Ergebnisse zeigten, dass der pH-Wert ein Schlüsselfaktor für die Veränderung der Häufigkeit und Aktivität von AOA und AOB war, was zu einer unterschiedlichen Ableitung der N2O-Produktion in Purpurböden führte. Wir spekulieren, dass sowohl der NH4+-Gehalt als auch der pH-Wert des Bodens gemeinsam die Spezialisierung von Ammoniak oxidierenden Mikroorganismen vermittelten; und sowohl die Spezialisierungsergebnisse als auch die N2O-Ausbeute führten zu unterschiedlichen N2O-Emissionseigenschaften in violetten Böden. Diese Ergebnisse können bei der Entwicklung künftiger N2O-Reduktionsstrategien hilfreich sein.

N2O ist ein Spurentreibhausgas mit dem 265-fachen Erwärmungspotenzial von CO2 (im 100-Jahres-Maßstab) in der Atmosphäre und trägt zum Abbau des stratosphärischen Ozons bei1. Die globale N2O-Konzentration in der Atmosphäre betrug im Jahr 2015 328,8 ppb, was einem Anstieg von 21 % seit der industriellen Revolution entspricht2. Die anhaltenden Emissionen werden bei der derzeitigen Rate laut aktuellen Prognosen bis 2030 um weitere 18 % ansteigen3. Gedüngte landwirtschaftlich genutzte Böden sind ein Hotspot für die Emissionen erheblicher N2O-Emissionen in die Atmosphäre und machen etwa 60 % der weltweiten N2O-Emissionen in die Atmosphäre aus4. Allerdings wird der kontinuierliche Einsatz chemischer Düngemittel zwangsläufig mit einem steigenden Bedarf an Nahrungsmitteln, Tierhaltung und Biomasseenergie einhergehen. Daher ist es besonders wichtig, den Mechanismus zu verstehen, der für die N2O-Produktion aus gedüngten Böden verantwortlich ist, um optimale Maßnahmen zur Regulierung der N2O-Emissionen für eine nachhaltige Landwirtschaft zu finden.

In Agrarökosystemen wird N2O durch Nitrifikation und Denitrifikation erzeugt, die von Bodenmikroorganismen angetrieben werden5,6, und einige abiotische Prozesse tragen auch einen kleinen Teil dazu bei7. Bei einem geeigneten Sauerstoffgehalt im Boden ist die Nitrifikation ein Hauptprozess der N2O-Produktion. Die Ammoniakoxidation (dh die Oxidation von NH3 zu NO2− über das Zwischenprodukt NH2OH) gilt als primärer und geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Nitrifikation. Sowohl ammoniakoxidierende Archaeen (AOA) als auch ammoniakoxidierende Bakterien (AOB) haben das genetische Potenzial für die Ammoniakoxidation, die die Produktion von N2O8,9 verursacht. AOB könnte N2O produzieren, das als Zwischenprodukt durch die unvollständige NH2OH-Oxidation zu NO10 oder durch Regulierung der nitrifizierenden Denitrifizierung der Reduktion von NO2− zu NO und N2O11 fungiert. Im Gegensatz dazu lässt sich das durch AOA erzeugte N2O auf mehrere Prozesse zurückführen, die herkömmlicherweise in Rein- und Anreicherungskulturen nachgewiesen wurden. Bisher gab es jedoch keine eindeutigen Beweise dafür, dass die Produktion von N2O durch die enzymatische katalytische Reaktion von AOA in Böden unterstützt wird12. Darüber hinaus bleibt der Einfluss der neu entdeckten und weit verbreiteten vollständigen Ammoniakoxidationsmittel (Comammox), die als eine der ammoniakoxidierenden Funktionsgruppen wirken, ungewiss, obwohl einige Studien darauf schließen lassen, dass sie eine untergeordnete Rolle spielen als AOB13,14.

Nitrifikationshemmer werden in landwirtschaftlichen Böden häufig eingesetzt, um die Umwandlung von NH4+-N in NO3–N zu reduzieren und so die N-Nutzungseffizienz zu verbessern15. Eines der wichtigsten funktionellen Enzyme sowohl in AOA- als auch AOB-Ammoniakoxidationsmitteln ist die Ammoniakmonooxygenase (AMO), die den Prozess der N2O-Synthese direkt katalysiert. Acetylen (C2H2) ist ein nicht selektiver Nitrifikationshemmer für AMO und hemmt somit die Ammoniakoxidation von AOA und AOB bei einer niedrigen Konzentration (0,1–10 Pa)16,17. Mittlerweile ist 1-Octin ein selektiver Inhibitor, der die AOB-Aktivität, aber nicht die AOA-Aktivität in Böden hemmen kann, und er kann verwendet werden, um den relativen Beitrag von AOB und AOA zur Nitrifikation zu unterscheiden18,19,20,21.

Umfangreiche Studien haben ergeben, dass viele Faktoren, darunter Bodentypen und Umweltfaktoren, die Häufigkeit, Aktivitäten und den relativen Beitrag zur N2O-Emission von AOA und AOB bestimmen, insbesondere der pH-Wert des Bodens und die Versorgung mit anorganischem Stickstoff (N)22,23,24. Beispielsweise nahmen die Häufigkeit und Aktivität von AOB in Böden mit hoher Ammoniumkonzentration zu, wohingegen AOA weder beeinträchtigt noch gehemmt wirkt16,18. In ungedüngten oder sauren Böden sind Häufigkeit und Aktivität von AOA viel höher als die von AOB25,26. Wang et al.21 berichteten, dass durch Stickstoffdünger verursachte N2O-Emissionen zu 70,5–78,1 % auf AOB und zu 18,7–19,7 % auf AOA zurückzuführen sind, wobei die Methode der Inhibitoren sowohl in sauren (pH = 6) als auch alkalischen (pH = 8) Ackerböden verwendet wurde von China. In ähnlicher Weise stellten Yang et al.27 unter Verwendung der Inhibitormethode fest, dass AOB der wichtigste mikrobielle Akteur in alkalischem Boden war und etwa 85 % des nitrifikationsbedingten N2O beisteuerte, während 78 % des nitrifikationsbedingten N2O in sauren Böden durch AOA beigesteuert wurden . Darüber hinaus wurde der relative Beitrag von AOB und AOA zu den N2O-Emissionen auch durch die Art und Menge der verwendeten synthetischen Stoffe reguliert. Hink et al.24 fanden heraus, dass eine hohe Ammoniakzugabe die Produktion von N2O aus AOB stimulierte, bei geringer Ammoniumversorgung jedoch die AOA-Dominanz. Allerdings zeigten Fu et al.28, dass der relative Beitrag von AOB zu den N2O-Emissionen bei der Behandlung ohne N-Zugabe sowohl in sauren (pH = 5,5) als auch alkalischen (pH = 7,9) Böden größer war als bei der Behandlung mit Ammonium-N-Zugabe und Behandlung der Harnstoff-N-Zugabe in alkalischem Boden.

Zahlreiche Studien haben den relativen Beitrag und die Einflussfaktoren von AOA und AOB zur N2O-Emission untersucht, es besteht jedoch kein Konsens über die Mechanismen zur Erklärung der Diversitäten aufgrund des komplexen Mechanismus der Häufigkeitsänderung und der N2O-Ausbeuten von AOA und AOB, begleitet von räumlicher und zeitlicher Heterogenität Umweltbedingungen und Bodeneigenschaften. Aufgrund der beträchtlichen N2O-Emissionsquelle, die durch die starke N-Düngung auf Ackerland in Purpurböden im Berggebiet des Wassereinzugsgebiets des Oberen Jangtsekiang verursacht wird29,30, ist es unerlässlich, spezifische Maßnahmen zur Verringerung der N2O-Emissionen vorzuschlagen, um das strategische Ziel zu erreichen: „ „Kohlenstoffreduzierung“ in dieser Region. Daher führten wir ein Mikrokosmen-Inkubationsexperiment mit zwei kontrastierenden violetten Böden durch, wobei wir den neu entwickelten Inhibitor 1-Octin und eine molekularbiologische Methode verwendeten, um die Faktoren zu bewerten, die die N2O-Produktion, den Ertrag und die Genhäufigkeit im Zusammenhang mit AOA und AOB in verschiedenen Böden beeinflussen. Ziel ist es, ein tieferes Verständnis des Mechanismus des Ammoniakoxidationsprozesses zu erlangen und die Entwicklung emissionsarmer Technologien in der Landwirtschaft voranzutreiben.

Im September 2020 wurden zwei Testoberflächenbodenproben von Parzellen für Langzeitdüngungsexperimente (5 m × 1,5 m, dreifache Parzellen jedes Testbodens) in der Yanting Agro-Ecological Station of Purple Soil der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (N 31) entnommen °16′, E 105°28′), liegt im zentralen Sichuan-Becken, am oberen Jangtsekiang, China. Die Durchschnittstemperatur betrug 17,3 °C und der Jahresdurchschnittsniederschlag betrug 863 mm, wovon etwa 70 % von Mai bis September an diesem Standort fallen. Das Anbausystem ist dort die Fruchtfolge Sommermais-Winterweizen und N-P2O5-K2O wurde mit 150–90–36 kg ha-1 für Mais bzw. 130–90–36 kg ha-1 für Weizen ausgebracht.

Zwei Testböden, einschließlich eines neutralen (pH = 6,75 und unten als SX bezeichnet) und eines alkalischen (pH = 8,35 und unten als PL bezeichneten) Bodens, wurden aus dem ähnlichen Ausgangsgrundgestein aus violettem Sandstein mit unterschiedlichem Verwitterungsgrad formuliert und sind weniger als 50 Jahre alt seit der Bodenbildung31,32. Sie sind die vorherrschenden Bodentypen in hügeligen Gebieten der Wasserscheide des Oberen Jangtsekiang, wo ein wichtiges Getreideanbaugebiet im Südwesten Chinas war und mehr als 10 % der chinesischen Bevölkerung ernährte.

Zwei Testoberflächenböden (0–15 cm) wurden mit einer Erdbohrmaschine gesammelt und dreifache Bohrkerne, die sich in Abständen von zwei Metern entlang der Längsmittellinie der Parzellen befanden, wurden für jede Parzelle gepoolt und homogenisiert. Alle Böden wurden durch ein 2-mm-Sieb gesiebt, nachdem Pflanzenwurzeln und Rückstände entfernt worden waren, und dann in zwei Teile geteilt. Ein Teil wurde zur Messung des Bodenwassergehalts sowie grundlegender physikalischer und chemischer Eigenschaften verwendet, der verbleibende Teil des Bodens wurde bis zum Inkubationsexperiment bei 4 °C gelagert. Einige grundlegende physikalische und chemische Eigenschaften der beiden Böden sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Um den relativen Beitrag verschiedener Ammoniakoxidationsprozesse zur N2O-Emission zu unterscheiden, verwendeten wir Acetylen und 1-Octin als selektive Inhibitoren, um die Wechselwirkung der Ammoniakoxidationsmittel (d. h. AOB und AOA) zu blockieren. Die Inkubationsversuche wurden in 250-ml-Serumflaschen mit einem Butylgummistopfen durchgeführt, die 18 g Boden (Trockengewicht) enthielten. Die frischen Böden wurden 7 Tage lang bei 25 °C vorinkubiert, um die mikrobiellen Aktivitäten im Boden in 250-ml-Serumflaschen zu stabilisieren. Nach der Vorinkubation wurde der Boden auf 60 % WFPS eingestellt und anschließend nur mit sterilisiertem Wasser (Kontrolle, keine N-Zugabe) oder anorganischer Stickstofflösung (100 mg NH4Cl-N oder KNO3-N g−1 Bodendw) ergänzt. Dann wurden die Flaschen mit Deckeln abgedeckt und etwas herausgepumpte Luft wurde durch vorbereitete Ammoniak-Oxidationsinhibitoren Acetylen (Ace, 0,01 %, v/v) oder 1-Octin (Oct, 5 μM wässrig, nach Taylor et al.20) ersetzt ). Insgesamt wurden neun Behandlungen mit drei Wiederholungen wie folgt durchgeführt:

N-frei (kein N und keine Inhibitoren)

N-frei + Ace (kein N und 0,01 % Acetylen)

N-frei + Oct (kein N und 5 μM 1-Octin)

NH4+ (100 mg g−1 NH4Cl-N und keine Inhibitoren)

NH4+ + Ace (100 mg g−1 NH4Cl-N und 0,01 % Acetylen)

NH4+ + Oct (100 mg g−1 NH4Cl-N und 5 μM 1-Octin)

NO3− (100 mg g−1 KNO3-N und keine Inhibitoren)

NO3− + Ace (100 mg g−1 KNO3-N und 0,01 % Acetylen)

NO3− + Oct (100 mg g−1 KNO3-N und 5 μM 1-Octin)

Alle Behandlungen wurden 21 Tage lang bei 25 °C durchgeführt. Während dieses Zeitraums wurden die oxischen Bedingungen aufrechterhalten, indem alle zwei Tage belüftet wurde und die Hemmumgebung durch Zugabe von Acetylen (0,01 % v/v) und 1-Octin (5 μM wässrige Lösung) wiederhergestellt wurde. Die N2O-Emission aus Böden ohne Inhibitoren wurde durch Nitrifikation (einschließlich Beiträge von AOB und AOA), Denitrifikation und abiotische Prozesse verursacht. Acetylen konnte die Ammoniakoxidation sowohl von AOA als auch von AOB hemmen, daher wurde die N2O-Emission von AOA plus AOB berechnet, indem die N2O-Emission in der „NH4+ + Ace“-Behandlung („NO3− + Ace“ oder „Ace“) von den gemessenen Werten abgezogen wurde Behandlung mit „NH4+“ („NO3−“ oder „N-frei“). Da 1-Octyne spezifisch nur das AOB-Wachstum hemmt, wurde die N2O-Emission von AOA berechnet, indem die N2O-Emission in der „NH4+ + Ace“-Behandlung („NO3− + Ace“ oder „Ace“) von den in der „NH4+ +“-Behandlung gemessenen Werten abgezogen wurde Okt“ („NO3− + Okt“ oder „Okt“) Behandlung. Die N2O-Emission von AOB wurde berechnet, indem AOA von den Werten von AOA plus AOB abgezogen wurde.

Die 20-ml-Headspace-Gasproben wurden an den Tagen 0, 1, 2, 3, 5, 7, 11, 14, 18 und 21 mit einer Spritze (mit einem Dreifachventil) während der gesamten Inkubation gesammelt und das N2O-Emissionskonzentrat mit einem Gas bestimmt Chromatograph, der mit einem 63Ni-Elektroneneinfangdetektor für N2O-Konzentrationen ausgestattet ist (Agilent 7890B, USA). Die Gasmessung wurde unter Verwendung einer bekannten Konzentration an Mischgas (440 ppb N2O in gemischtem Standardgas) kalibriert. Die inkubierten Böden wurden nach 0, 7, 14 und 21 Tagen destruktiv beprobt. Die Bodenproben wurden in zwei Teile geteilt: Ein Teil wurde bei 4 °C gelagert, um den Bodengehalt an NH4+-N und NO3-N zu messen; und ein weiterer Teil wurde zur DNA-Extraktion bei –80 °C aufbewahrt. Der Bodengehalt an NH4+-N und NO3–N wurde mit 2 M KCl-Lösung extrahiert (Boden:Lösung = 1:5 w/v) und dann nach einstündigem Schütteln durch eine 0,45 m Filtermembran filtriert. Die Extrakte wurden mit einem kontinuierlichen Durchflussanalysator (Auto Analyzer 3, SEAL Analytical, Deutschland) analysiert.

Die vor der Inkubation und nach 21 Tagen Inkubation gesammelten Bodenproben wurden zur DNA-Extraktion verwendet, da sich die N2O-Emissionsflüsse nach 21 Tagen Inkubation stabilisiert hatten. Gemäß den Anweisungen des Herstellers wurden 0,5 g feuchter Boden zur DNA-Extraktion mit dem DNeasy PowerSoil DNA Isolation Kit (QIAGEN, Deutschland) verwendet. Die Länge der extrahierten DNA wurde durch 1 % Agarosegelelektrophorese überprüft und die Konzentration und Qualifikation wurden mit dem NanoDrop ND-1000-Spektrophotometer (Nano Drop Technologies, Wilmington, DE, USA) gemessen. Und das Verhältnis von A260/280 und A260/230 lag im Bereich von 1,5–1,9 bzw. 0,7–1,0. Die Konzentrationen der gereinigten DNA variierten zwischen 10,8 und 36,8 ng/μL. Boden-DNA-Proben wurden für die quantitative PCR von AmoA-Genanalysen bei –80 °C gelagert.

AOB- und AOA-amoA-Gene aller Behandlungen mit drei biologischen Replikaten wurden unter Verwendung der quantitativen Echtzeit-Fluoreszenz-PCR ABI 9700 (Applied Biosystem, Amerika) amplifiziert und quantifiziert; Die Sequenz der mit AOB amoA amplifizierten Primer war amoA-1F (5'-GGGGTTTCTACTGGTGGT-3')/amoA-2R (5'-CCCCTCKGSAAAGCCTTCTTC-3')33, während ArchamoAF (5'-TAATGGTCTGGCTTAGACG-3')/ArchamoAR (5' -GCGGCCATCCATCTGTATGT-3')34 wurden zur Amplifikation und Quantifizierung des AOA-amoA-Gens verwendet. Jedes 20-μl-Reaktionssystem enthielt 10 μl GoTaq qPCR Master Mix (SYBR Premix Ex TaqTM), 0,5 μl jedes Primers (10 mM), 2 μl zehnfach verdünnte DNA-Matrize und 7 μl sterilisiertes reines Wasser. Die verstärkten Reaktionsbedingungen von AOB und AOA waren wie folgt: anfängliche Denaturierung bei 95 °C für 3 Minuten, 40 Denaturierungszyklen bei 95 °C für 30 Sekunden, Annealing bei 55 °C für 34 Sekunden und Verlängerung bei 72 °C für 32 Sekunden s und Verlängerung bei 72 °C für 5 Minuten zur Datenerfassung. Die Standardkurven, die zur Quantifizierung der Häufigkeit des amoA-Gens von AOA und AOB verwendet wurden, wurden durch zehnfache Reihenverdünnung von AOA- und AOB-Plasmid-DNA mit bekannter Konzentration erhalten (fünf Punkte von 10–3 ~ 10–7 in dieser Studie). Die Schmelzkurvenanalysen, die zur Überprüfung der Spezifität der Amplifikationsprodukte verwendet wurden, zeigten, dass die Amplifikationseffizienzen von AOB und AOA amoA zwischen 92 und 98 % lagen, während der Korrelationskoeffizient (R2) der Standardkurven 0,994 und 0,998 für AOB- und AOA amoA-Gene betrug , jeweils.

N2O-Flüsse wurden unter Verwendung von Gl. berechnet. (1):

wobei F (ng N g−1 d−1) die N2O-Emissionsrate ist; T0 (237 K) ist die Temperatur im normalen atmosphärischen Zustand; T (°C) ist die Lufttemperatur in den Serumflaschen; V (L) ist das Volumen des Kopfraums; V0 (22,41 × 10–3 m3) ist das Molvolumen im normalen atmosphärischen Zustand; M (28 g mol−1) ist das Molekulargewicht von N im N2O-Molekül; m (18 g) ist das Gewicht ofengetrockneter Erde in den Serumflaschen; dc/dt ist die Änderung der N2O-Konzentration (c) pro Einheitsintervall (t); 24 ist die Anzahl der Stunden pro Tag und K ist der Dimensionsumrechnungskoeffizient.

Die relativen Beiträge von AOA und AOB zur nitrifikationsbedingten N2O-Emission wurden unter Verwendung der Gleichungen berechnet. (2) ~ (4):

wobei „Gesamt-N2O-Emission“ die kumulative N2O-Produktion der Behandlung ohne Zugabe von Inhibitoren nach 21 Tagen Inkubation war; „N2O-Emission durch Andere“ war die kumulative N2O-Produktion anderer Prozesse nach 21 Tagen Inkubation.

Die N2O-Ausbeute für AOA, AOB und andere wurde unter Verwendung von Gleichung berechnet. (5):

wobei x für AOA, AOB und andere steht, „N2O-Emission(x)“ und „NO3− produziert“ das kumulative N2O und Nitrat über die gesamten 21 Inkubationstage sind, die Einheit von „N2O-Emission(x)“ und „NO3– „Produzierter N“ beträgt mg N kg−1.

Die statistische Analyse wurde mit der Software SPSS 24.0 (SPSS Inc., USA) durchgeführt und die Daten in dieser Studie wurden als Mittelwert ± Standardfehler ausgedrückt. Unterschiede zwischen verschiedenen Behandlungen wurden durch ANOVA nach Tukeys Mehrfachbereichstest anhand des geringsten signifikanten Unterschieds auf dem 5 %-Niveau getestet. Für die statistische Analyse der N2O-Ausbeute zwischen zwei Böden wurde ein T-Test bei unabhängigen Stichproben durchgeführt. Es wurde die Pearson-Korrelation zwischen kumulativen N2O-Emissionen und AOB- oder AOA-amoA-Genkopien berechnet. Die Zahlen wurden mit der Software Origin 9.4 (Origin Lab Corporation, Northampton, USA) erstellt.

Die austauschbare NH4+-N-Konzentration der „NH4+“-Behandlung sank in der ersten Woche schnell von einem Wert von 104 mg/kg auf einen Wert von 41 mg/kg und von 107 mg/kg auf 31 mg/kg in SX- und PL-Boden. jeweils. Und der Rückgang verlangsamte sich in den folgenden zwei Wochen (Abb. 1a2, b2). Im Gegensatz zur „NH4+“-Behandlung hemmte 1-Octin die Abnahme der austauschbaren NH4+-N-Konzentration effektiv, was in beiden Böden eine langsamere Abnahmerate zeigte. Bei den „NH4+ + Ace“-Behandlungen wurde die Umwandlung von NH4+ vollständig gehemmt und es konnte kein offensichtlicher abnehmender Trend festgestellt werden. Behandlungen ohne NH4+-Zugabe hielten während der gesamten Inkubationszeit ein niedriges Niveau der austauschbaren NH4+-N-Konzentration aufrecht, und es gab keinen signifikanten Unterschied bei diesen Behandlungen, unabhängig davon, ob Inhibitoren angewendet wurden oder nicht (P > 0,05; Abb. 1a1, a3, b1, b3).

Die austauschbaren NO3-N-Konzentrationen stiegen entsprechend durch die Abnahme der austauschbaren NH4+-N-Konzentrationen in den „NH4+“-Behandlungen (Abb. 1c2, d2). Wie erwartet hemmte das vorhandene 1-Octin teilweise die Bildung von austauschbarem NO3–N in den „NH4+ + Oct“-Behandlungen und Acetylen hemmte die Umwandlung von NH4+-N zu NO3–N in den „NH4+ + Ace“-Behandlungen in den beiden Böden fast vollständig. Bei den Behandlungen ohne NH4+-Zugabe gibt es keinen offensichtlichen Unterschied, unabhängig davon, ob die Inhibitoren angewendet wurden oder nicht (P > 0,05; Abb. 1c1, c3, d1, d3).

Die Änderungstrends der N2O-Flüsse variierten je nach Bodentyp. Die Behandlungen, bei denen nur NH4+ zugesetzt wird, zeigen am ersten Tag der Inkubation einen deutlichen N2O-Peak (7 bzw. 33 ng N g−1d−1 für SX- und PL-Experimenterde) und nehmen an den folgenden Tagen schnell ab (Abb. 2a2, b2). Die Zugabe von Acetylen hat einen signifikanten Effekt auf die Verringerung der N2O-Produktion bei der „NH4+ + Ace“-Behandlung der beiden Böden während der gesamten Inkubationszeit, was darauf hindeutet, dass AOA plus AOB mehr N2O-Emissionen verursachen als die abiotischen Prozesse und Denitrifikationsprozesse unter aeroben und 60 % WFPS-Versuchsbedingungen . Im Vergleich zur Acetylenzugabe hat 1-Octin eine ähnliche, aber geringere Hemmung der N2O-Emissionen im „NH4+ + Okt“ der beiden Böden, was zeigt, dass verschiedene Nitrifikationsinhibitoren wie erwartet die selektive Hemmwirkung bei der Linderung der N2O-Emissionen hatten (Abb. 2a2). , b2). Mit Ausnahme der Behandlungen mit NH4+-Zugabe zeigen die Ergebnisse auch, dass Behandlungen mit oder ohne NO3–N keinen signifikanten Unterschied in den N2O-Emissionen zeigen, unabhängig davon, welche Inhibitoren während der Inkubationszeit von 21 Tagen vorhanden sind oder nicht (P > 0,05). Und es gibt bei diesen Behandlungen ohne NH4+-Zugabe keine Emissionsspitzen und die Flüsse zeigen eine periodische Schwankung bis zum Ende der Inkubation (Abb. 2a1, a3, b1, b3).

Die akkumulierten N2O-Emissionen variierten je nach Bodentyp, Art des Stickstoffdüngers und der Inhibitoren (Abb. 2c1 ~ c3, d1 ~ d3). Bei den „NH4+“-Behandlungen war die akkumulierte N2O-Emission deutlich höher als bei den übrigen Behandlungen und erreichte am Ende der Inkubation 14 bzw. 45 μg N kg−1 trockenen Boden für SX- und PL-Versuchsboden (P < 0,05; Tabelle S1). . Wenn die NH4+-Zugabe mit 1-Octin eingesetzt wurde, verringerten sich die akkumulierten N2O-Emissionen drastisch um 24,1 % bzw. 72,0 % für SX- bzw. PL-Versuchsboden, und die stärkere Hemmung durch die Acetylenzugabe wurde um 80,3 % bzw. 92,4 % relativ reduziert zu den „NH4+“-Behandlungen. Was die NO3−-Zugabe und die Behandlung ohne Stickstoffdüngerzugabe mit oder ohne Inhibitor betrifft, gab es am Ende der Inkubation keinen signifikanten Unterschied für die beiden Testböden (P > 0,05; Tabelle S1).

Die N2O-Ausbeute (%) wurde als die Rate der N2O-Produktion pro Einheit Nitratgehalt im Boden über die gesamten 21 Inkubationstage definiert, die nach Gleichung berechnet wurde. (5). Die Ergebnisse zeigten, dass sich die N2O-Ausbeute bei verschiedenen Ammoniakoxidationsprozessen mit der Bodenart unter der Bedingung der Zugabe von NH4+ änderte (Abb. 3). Die N2O-Ausbeute von AOB in PL-Boden betrug 0,22 % und war damit deutlich höher als die von SX (0,03 %) (P < 0,01), und ähnliche signifikante Unterschiede wurden bei den durch AOA induzierten N2O-Ausbeuten gefunden (P < 0,05). Bei anderen Prozessen (abiotisch induzierte oder denitrifikationsinduzierte) war die N2O-Ausbeute des SX-Bodens jedoch signifikant höher als die des PL-Bodens (P < 0,05). Unter den gleichen Bodenbedingungen mit NH4+-Zugabe veränderte sich die N2O-Ausbeute mit unterschiedlichen Induktionsprozessen: In PL-Böden war die durch AOB induzierte N2O-Ausbeute signifikant höher als die durch AOA und die anderen Prozesse induzierte (P < 0,01); In SX-Böden war die durch andere Prozesse induzierte N2O-Ausbeute jedoch deutlich höher als die durch AOA und AOB induzierte (P < 0,01).

Der relative Beitrag von AOA und AOB zur N2O-Produktion variierte erheblich je nach Bodentyp mit NH4+-Zusatz in beiden Böden (Abb. 4). Die Anteile der N2O-Akkumulationsproduktion von Octin-sensitiven (AOB) waren viel höher als die von Octin-resistenten (AOA) in den PL-Böden. Und bei SX-Boden war der Anteil der AOB-Produktion etwas höher als bei AOA und den anderen. Im Detail betrugen die Anteile der N2O-Emissionen 36,1 %, 33,2 % bzw. 30,7 % für AOB, AOA und andere Prozesse im SX-Boden. Die Beiträge relevanter AOB, AOA und anderer betragen 70,8 %, 21,4 % bzw. 8,9 % im PL-Boden.

Zu Beginn der Inkubation betrug die Häufigkeit der AOB-amoA-Gene 1,65 × 105 bzw. 1,62 × 106 Kopien g–1 trockener Boden in SX- bzw. PL-Boden (Abb. 5a, b), und verschiedene Behandlungen hatten zu Beginn die gleiche Häufigkeit Inkubation. Die NH4+-Änderung stimulierte den Anstieg der AOB-amoA-Gene signifikant und erreichte am Tag 21 der Inkubation 3,38 × 105 und 3,58 × 106 Kopien g−1 in SX- und PL-Boden (P < 0,01; Abb. 5a, b). . Es gibt keinen offensichtlichen Unterschied in der Häufigkeit der AOB-amoA-Gene zwischen den anderen Behandlungen während der Inkubationszeit, unabhängig davon, ob stickstoffhaltiger Dünger und Inhibitoren in beiden Böden ausgebracht wurden oder nicht.

Was die AOA amoA-Gene betrifft, so betrug die Häufigkeit der AOA amoA-Gene 1,23 × 107 Kopien g−1 und 8,35 × 106 Kopien g−1 trockenen Boden in SX- bzw. PL-Boden zu Beginn der Inkubation. Bei der Änderung mit Ammoniak und 1-Octin nahm die Häufigkeit der AOA- amoA-Gene in den beiden Böden deutlich zu als bei den anderen Behandlungen (P <0, 01; Abb. 5c, d). Das Vorhandensein von 1-Octin, das als Inhibitor von AOB ausgewählt wurde, zeigte keine wirksame Unterdrückung des Wachstums von AOB-amoA-Genen, sondern wirkte sich im Gegenteil positiv auf die Häufigkeit von AOA-amoA-Genen in den beiden Testböden aus. Behandlungen mit Wasser oder NO3-Änderung, die mit Inhibitoren angewendet wurden oder nicht, veränderten die Häufigkeit der AOA-amoA-Gene während der gesamten Inkubation nicht signifikant (P > 0,05).

Die abiotischen Prozesse und biotischen Prozesse, einschließlich Nitrifikation und Denitrifikation, gelten laut zahlreichen Berichten als primäre Prozesse, die N2O in Ackerböden produzieren7,35,36. Dies dient zunächst dazu, den relativen Beitrag der Ammoniakoxidation und der N2O-Ausbeute zu unterscheiden, die sich aus AOA und AOB bei verschiedenen pH-Werten von Purpurboden südwestlich von China ergeben, wobei 1-Octin zur spezifischen Hemmung von AOB verwendet wird. In dieser Studie haben wir anhand der folgenden Punkte bestätigt, dass die N2O-Emissionen aus den beiden getesteten landwirtschaftlichen Böden durch Nitrifikation und nicht vernachlässigbare andere Prozesse verursacht wurden: (1) NH4+-N wandelte sich bei den NH4+-N-Zugabebehandlungen schnell in NO3–N um und führte zu einer viel höheren N2O-Produktion als NO3-N-Zugabebehandlungen, bei denen das NO3-N während der Inkubation stabil blieb (Abb. 1); (2) Beide Testböden wurden unter aeroben und 60 % WFPS-Bedingungen durchgeführt, was laut früheren Studien eine optimale N2O-Produktion durch Ammoniakoxidation darstellt6. Und die N2O-Emissionen heterotropher Denitrifizierer waren vernachlässigbar24; (3) Dennoch sammelte sich N2O in mit Acetylen behandelten Mikrokosmen langsam, aber nicht vernachlässigbar an, wenn das Wachstum und die Aktivität des NH3-Oxidationsmittels einschließlich AOA und AOB gehemmt wurden, was darauf hindeutet, dass auch andere durch Prozesse induzierte N2O-Emissionen (heterotrophe Nitrifikation und abiotische Prozesse usw.) eine zuweisbare Rolle spielen Beitrag, insbesondere in neutralen Böden, wo andere Prozesse 30,7 % zur Brutto-N2O-Emission bei der Inkubation beitragen (Tabelle S1 und Abb. 4).

Die Dynamik des NH4+-N-Gehalts (a1 ~ a3, b1 ~ b3) und des NO3-–N-Gehalts (c1 ~ c3, d1 ~ d3) mit verschiedenen N-Düngemitteln (N-frei, Ammonium-N, Nitrat-N) in Kombination mit Luft (keine Inhibitoren), Acetylen und 1-Octin während der Inkubation von SX- und PL-Boden; Fehlerbalken stellen Standardfehler von drei biologischen Replikaten dar.

Zahlreiche Studien haben bestätigt, dass die N2O-Emissionen in Ackerböden durch mehrere Umweltfaktoren wie Bodenfeuchtigkeit, Boden-pH-Wert und Bewirtschaftungsfaktoren wie N-Anwendung, Pflügen und andere Bodenbewirtschaftungsmaßnahmen reguliert werden37,38,39. Der pH-Wert des Bodens ist ein Schlüsselparameter, der die Häufigkeitsänderung von AOA und AOB steuert, die die N2O-Produktion beeinflussen40. In unserer Studie trug AOB unter der Bedingung der NH4+-N-Zugabe zu mehr akkumulierten N2O-Emissionen bei als AOA in alkalischen Böden, was darauf hindeutet, dass AOB den Nitrierungsprozess in alkalischen Böden dominierte, während in neutralen Böden, wo sowohl AOA als auch AOB beitrugen, kein signifikanter Unterschied zu beobachten war fast ein Drittel der Brutto-N2O-Emissionen (Abb. 4 und Tabelle S1). Wir fanden heraus, dass AOB eine wichtigere Rolle als AOA bei der Ammoniakoxidation in Böden mit hohem pH-Wert spielt, was frühere Berichte stützt21,22,41,42. Eine mögliche Erklärung ist, dass Böden mit einem höheren pH-Wert die Geschwindigkeit der Umwandlung von NH4+-N in verfügbares NH3 beschleunigen, was sich auf die Population und Aktivität von Ammoniak-Oxidationsmitteln auswirkt27, während das Bakterienwachstum bei einem niedrigen pH-Wert des Bodens möglicherweise behindert worden wäre43.

Offensichtlich stimulierten getestete Böden mit NH4+ die N2O-Produktion sowohl durch AOA als auch durch AOB in unterschiedlichem Maße im Vergleich zur Kontrolle (Abb. 2 und Tabelle S1). Und diese Ergebnisse wurden auch durch die deutlich erhöhte amoA-Genhäufigkeit von AOA und AOB am Ende der Inkubation bestätigt (Abb. 5). Derzeit ist die beste Erklärung für das unterschiedliche Wachstum und die unterschiedlichen Aktivitäten von AOA und AOB in Böden eine deutlich unterschiedliche Affinität für NH344,45,46. Böden mit hohem NH4+-N-Gehalt begünstigen beispielsweise das Wachstum von AOB16,20, während die AOA-Aktivität, die durch Böden mit niedrigem NH4+-N-Gehalt begünstigt wird, in diesem Zustand mit hohem NH4+-N-Gehalt eingeschränkt oder nicht beeinträchtigt sein kann 47,48. In unserer Studie erhöhte sich die AOA-AmoA-Häufigkeit in der Kontrolle von zwei Testböden, jedoch nicht signifikant, was darauf hindeutet, dass AOA unter Verwendung von organischem N in Böden mit niedrigem Ammoniak-Fruchtbarkeitsstatus wachsen könnte22,49. Unerwarteterweise stellten wir fest, dass AOA auch in diesem Zustand wuchs, in dem eine hohe NH4+-N-Konzentration und AOB durch 1-Octin gehemmt wurden, da der signifikante Anstieg der AOA-AmoA-Häufigkeit diesen Punkt bewies, der sich von mehreren früheren Studien unterschied (Abb. 5c, d). 21,28. Und dieses Ergebnis steht im Einklang mit einem kürzlich veröffentlichten Bericht, wonach es bei hoher NH4+-N-Konzentration zu einer direkten Konkurrenz zwischen AOA und AOB um NH3 kam, wenn AOB durch 1-Octin gehemmt wurde, wohingegen das AOA-Wachstum anhielt und das AOB-Wachstum aufhörte, wenn NH4+-N wurde nicht nachweisbar24,50.

Die N2O-Emissionsflüsse und akkumulierten Flüsse mit verschiedenen N-Düngemitteln (N-frei, Ammonium-N, Nitrat-N) in Kombination mit Luft (keine Inhibitoren), Acetylen und 1-Octin nach 21-tägiger Inkubation in SX (a und c) und PL (b und d) Boden, Fehlerbalken stellen Standardfehler von drei biologischen Replikaten dar.

Wenn NH4+-N als Dünger zugeführt wurde, dominierte AOB den NH3-Oxidationsprozess und die N2O-Ausbeute lag zwischen 0,03 und 0,22 %, was je nach Bodentyp variierte (Abb. 3). In neutralem Boden lag die durch AOB induzierte N2O-Ausbeute (~ 0,03 %) innerhalb der Bereichswerte (0,02–0,09 %), die aus Bodenaufschlämmungen mit NH4+ im geänderten Experiment abgeleitet wurden51. In alkalischem Boden hingegen ist die höhere N2O-Ausbeute von AOB (0,22 %) vergleichbar mit den Ergebnissen der Reinkultur der Bodenlinie Nitrosospira52, die in Boden-AOB-Gemeinschaften vorherrscht53. Was AOA betrifft, so beträgt die N2O-Ausbeute bei Zugabe von NH4+-N in den beiden Testböden 0,02 % bis 0,04 %, und diese Ausbeuten ähneln den zuvor von Hink et al.50 berichteten Werten von 0,035 % und sind etwas niedriger als die von kultivierten Böden Boden-AOA (0,08 % ~ 0,23 %)12,54,55. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass AOB bei der Produktion von N2O sowohl in alkalischen als auch in neutralen Böden möglicherweise eine höhere N2O-Ausbeute als AOA aufweist. Die höhere N2O-Ausbeute für AOB als für AOA könnte durch die aktuelle Erkenntnis erklärt werden: Es gab zwei enzymatische Mechanismen für die N2O-Produktion in AOB (d. h. Denitrifizierung des Nitrifikators und unvollständige NH2OH-Oxidation), während AOA offenbar eine bekannte NO-Reduktase fehlte, die ein Schlüsselenzym war der Reduktion von NO zu N2O56,57,58. Daher wurde die N2O-Produktion von AOB als biotischer Prozess bezeichnet, wohingegen die Induktion durch AOA eher einer biotischen und abiotischen Hybridbildung ähnelte59.

Die Ausbeute an N2O im Zusammenhang mit der Ammoniakoxidation bei NH4+-modifizierten Behandlungen; Unterschiedliche Buchstaben über den Balken bedeuten einen signifikanten Unterschied und dieselben Buchstaben bedeuten keinen signifikanten Unterschied und Fehlerbalken stellen Standardfehler von drei biologischen Replikaten dar.

Darüber hinaus weist die Methode der Zugabe von Nitrifikationshemmern Einschränkungen hinsichtlich der Wirksamkeit zur Unterscheidung der relativen N2O-Emission von AOA und AOB21 auf. 1-Octin ist ein wirksamer selektiver Inhibitor der AOB-Aktivität und der AmoA-Häufigkeit in Testböden, und wir fanden heraus, dass AOB die führende Rolle bei der N2O-Produktion des Bodens bei NH4+-N-Zugabebehandlungen spielt, obwohl die AOA-AmoA-Häufigkeit in beiden Böden ein Vielfaches der AOB-Häufigkeit aufwies Böden (Abb. 4 und 5). Acetylen fungierte als nicht selektiver Inhibitor, der verwendet wurde, um die Aktivität der biotischen Ammoniakoxidation sowohl von AOA als auch AOB zu blockieren, während die akkumulierte N2O-Produktion durch andere Prozesse (heterotrophe Nitrifikation und abiotische Prozesse usw.) in bemerkenswertem Ausmaß zur Gesamtmenge der akkumulierten Prozesse beitrug N2O-Produktion (Abb. 4). Weitere Untersuchungen wie die Isotopenmarkierung sollten in Zukunft durchgeführt werden, um den zugrunde liegenden Mechanismus anderer Prozesse aufzudecken, die zu N2O führen.

Die relativen Beiträge zur N2O-Produktion von AOA und AOB aus zwei Böden mit Ammoniak-Ergänzungsbehandlungen nach 21-tägiger Inkubation. Fehlerbalken stellen Standardfehler von drei biologischen Replikaten dar.

Die Häufigkeit der AOB- und AOA-amoA-Gene nach 0 und 21 Tagen Inkubation in SX- (a und c) und PL-Böden (b und d); Unterschiedliche Buchstaben über den Balken bedeuten einen signifikanten Unterschied und dieselben Buchstaben bedeuten keinen signifikanten Unterschied und Fehlerbalken stellen Standardfehler von drei biologischen Replikaten dar.

Derzeit gelten Nitrifikationshemmer60, Düngemittel mit langsamer Freisetzung61,62,63, ein angemessener Zeitpunkt der Düngemittelausbringung61,64 und Direktsaat65,66 als die wichtigsten Strategien zur Steigerung der Düngemittelnutzungseffizienz und zur Hemmung der N2O-Emission. Unsere Ergebnisse bewerteten die Folgen der Spezialisierung der Ammoniakoxidation, begleitet von einer unterschiedlichen N2O-Ausbeute von AOA und AOB, die eine potenzielle Strategie zur Verringerung der N2O-Emissionen in violetten Böden in hügeligen Gebieten am oberen Jangtse-Fluss in China darstellen. Die kumulative N2O-Produktion und die N2O-Ausbeute (insbesondere in AOB) nehmen mit steigendem pH-Wert der Böden unter aeroben Bedingungen deutlich zu, was darauf hindeutet, dass eine Senkung des pH-Werts ein potenzieller Weg zur Verringerung der N2O-Emission sein könnte. Darüber hinaus könnte die Anwendung eines moderaten Nitrifikationshemmers sowohl die N2O-Emission verringern als auch das Risiko einer Nitratauswaschung in diesem Bereich verringern, und dieser Standpunkt wurde durch eine aktuelle Übersicht67 gestützt. Insgesamt werden Maßnahmen, die die Ammoniakoxidation direkt verhindern oder die Spezialisierung ändern und indirekt zu einer erhöhten Dominanz der NH3-Oxidation durch AOA führen, die N2O-Produktion in diesem Bereich verringern. In der Zwischenzeit sollten der Ernteertrag, die Durchführbarkeit der Maßnahmen und die Kosten im Rahmen einer ökologischen Due-Diligence-Prüfung berücksichtigt werden, die sich aus der Reduzierung der N2O-Emissionen ergibt.

Abschließend untersuchten wir den relativen Beitrag von Ammoniak oxidierenden Bakterien und Archaeen zur N2O-Emission mithilfe eines ausgewählten AOB-Inhibitors in violetten Böden mit unterschiedlichen pH-Werten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ammoniakoxidation sowohl in neutralen als auch in alkalischen Böden unter der Bodenfeuchtigkeit von 60 % WHC und unter aeroben Bedingungen durch AOB und nicht durch AOA dominiert wurde. Die Zufuhr von NH4+-N erhöhte die N2O-Produktion von AOB deutlich, während die AOA-bedingte N2O-Produktion ebenfalls zunahm, wenn die AOB-Aktivität in diesem Zustand gehemmt wurde. Der pH-Wert ist ein Schlüsselfaktor für die Änderung der Häufigkeit von AOA und AOB, und die N2O-Produktion variierte je nach pH-Wert des Bodens. Diese Ergebnisse können bei der Entwicklung künftiger N2O-Reduktionsstrategien hilfreich sein.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

IPCC. Klimawandel 2014: Synthesebericht. Beitrag der Arbeitsgruppen I, II und III zum fünften Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (Hrsg. Pachauri, RK & Meyer, LA) (IPCC, Genf, Schweiz, 2014).

Weltorganisation für Meteorologie. Der Zustand der Treibhausgase in der Atmosphäre anhand globaler Beobachtungen bis 2015. http://www.wmo.int/pages/prog/arep/gaw/ghg/GHGbulletin.html (2016).

Reay, DS et al. Globale Landwirtschaft und Lachgasemissionen. Nat. Aufstieg. Chang. 2, 410–416 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Meinhardt, KA et al. Ammoniak-oxidierende Bakterien sind die primären N2O-Produzenten in einem von Ammoniak oxidierenden, von Archaeen dominierten alkalischen landwirtschaftlichen Boden. Umgebung. Mikrobiol. 20, 2195–2206 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Smith, K. & Conen, FJ Auswirkungen der Landbewirtschaftung auf Spurenströme von Treibhausgasen. Bodennutzung verwalten. 20, 255–263 (2004).

Artikel Google Scholar

Bateman, EJ & Baggs, EM Beiträge von Nitrifikation und Denitrifikation zu N2O-Emissionen aus Böden in verschiedenen wassergefüllten Porenräumen. Biol. Fruchtbar. Böden 41, 379–388 (2005).

Artikel CAS Google Scholar

Heil, J., Vereecken, H. & Brüggemann, N. Ein Überblick über chemische Reaktionen von Nitrifikationszwischenprodukten und ihre Rolle beim Stickstoffkreislauf und der Stickstoffspurengasbildung im Boden. EUR. J. Bodenwissenschaft. 67, 23–39 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Brochier-Armanet, C., Boussau, B., Gribaldo, S. & Forterre, P. Mesophile Crenarchaeota: Vorschlag für einen dritten archaischen Stamm, die Thaumarchaeota. Nat. Pfr. Fr. Mikrobiol. 6, 245–252 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Prosser, JI & Nicol, GW Archaeale und bakterielle Ammoniakoxidationsmittel im Boden: Die Suche nach Nischenspezialisierung und -differenzierung. Trends Mikrobiol. 20, 523–531 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kozlowski, JA, Price, J. & Stein, LY Überarbeitung der N2O-produzierenden Wege im Ammoniak oxidierenden Bakterium Nitrosomonas europaea ATCC 19718. Appl. Umgebung. Mikrobiol. 80, 4930–4935 (2014).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wrage, N., Velthof, G., Van Beusichem, M. & Oenema, O. Rolle der nitrifizierenden Denitrifikation bei der Produktion von Lachgas. Bodenbiol. Biochem. 33, 1723–1732 (2001).

Artikel CAS Google Scholar

Stieglmeier, M. et al. Aerobe Lachgasproduktion durch Nnitrosierende Hybridbildung in Ammoniak oxidierenden Archaeen. The ISME J. 8, 1135–1146 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Han, P. et al. N2O- und NOy-Produktion durch das Comammox-Bakterium Nitrospira inopinata im Vergleich zu kanonischen Ammoniakoxidationsmitteln. Wasserres. Rev. 190, 116728 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kits, KD et al. Geringe Ausbeute und abiotischer Ursprung von N2O, das vom vollständigen Nitrifikanten Nitrospira inopinata gebildet wird. Nat. Komm. 10, 1836 (2019).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Akiyama, H., Yan, X. & Yagi, K. Bewertung der Wirksamkeit von Düngemitteln mit erhöhter Effizienz als Minderungsoptionen für N2O- und NO-Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden: Metaanalyse. Globus. Chang. Biol. 16, 1837–1846 (2009).

Artikel ADS Google Scholar

Jia, ZJ & Conrad, R. Bakterien statt Archaeen dominieren die mikrobielle Ammoniakoxidation in landwirtschaftlich genutzten Böden. Umgebung. Mikrobiol. 11, 1658–1671 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Liu, R., Suter, H., He, JZ, Hayden, H. & Chen, DL Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit auf die relativen Beiträge der heterotrophen und autotrophen Nitrifikation zur Bruttonitrifikation in einem sauren Kulturboden. J. Soils Sediments 15, 2304–2309 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Ouyang, Y., Norton, JM, Stark, JM, Reeve, JR & Habteselassie, MY Ammoniakoxidierende Bakterien reagieren stärker als Archaeen auf Stickstoffquellen in landwirtschaftlich genutzten Böden. Bodenbiol. Biochem. 96, 4–15 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Tzanakakis, VA et al. Die relative Aktivität von Ammoniak oxidierenden Archaeen und Bakterien bestimmt die nitrifikationsabhängigen N2O-Emissionen in Waldböden in Oregon. Bodenbiol. Biochem. 139, 107612 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Taylor, AE, Vajrala, N., Giguere, AT, Gitelman, AI & Bottomley, PJ Verwendung von aliphatischen n-Alkinen zur Unterscheidung der Bodennitrifikationsaktivitäten von Ammoniak oxidierenden Thaumarchaea und Bakterien. Appl. Umgebung. Mikrob. 79, 6544–6551 (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Wang, Q. et al. Durch Stickstoffdünger verursachte Veränderungen der N2O-Emissionen werden eher auf ammoniakoxidierende Bakterien als auf Archaeen zurückgeführt, wie sich bei der Verwendung von 1-Octin- und Acetyleninhibitoren in zwei Ackerböden zeigte. Biol. Fert. Böden 52, 1163–1171 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Nicol, GW, Leininger, S., Schleper, C. & Prosser, JI Der Einfluss des Boden-pH-Werts auf die Diversität, Häufigkeit und Transkriptionsaktivität von Ammoniak oxidierenden Archaeen und Bakterien. Umgebung. Mikrobiol. 10, 2966–2978 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Di, HJ et al. Ammoniakoxidierende Bakterien und Archaeen wachsen unter unterschiedlichen Stickstoffbedingungen im Boden. FEMS Mikrobiol. Ökologisch. 72, 386–394 (2010).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Hink, L., Nicol, GW & Prosser, JI Archaeen produzieren bei der aeroben Ammoniakoxidation im Boden geringere N2O-Ausbeuten als Bakterien. Umgebung. Mikrobiol. 19, 4829–4837 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Offre, P., Prosser, JI & Nicol, GW Das Wachstum von Ammoniak oxidierenden Archaeen in Bodenmikrokosmen wird durch Acetylen gehemmt. FEMS Mikrobiol. Ökologisch. 70, 99–108 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Gubry-Rangin, C. et al. Nischenspezialisierung terrestrischer archaeischer Ammoniakoxidationsmittel. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 108, 21206–21211 (2011).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yang, L., Zhu, G., Ju, Wissenschaft. Gesamtumgebung. 770, 143212 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Fu, Q. et al. Der relative Beitrag von Ammoniak oxidierenden Bakterien und Archaeen zur N2O-Emission aus zwei Reisböden mit unterschiedlichen Düngemittel-N-Quellen: Eine Mikrokosmosstudie. Geoderma 375, 114486 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zhu, B. et al. Messungen der Nitratauswaschung aus einem Ackerland an einem Hang im zentralen Sichuan-Becken. China. Bodenwissenschaft. Soc. Bin. J. 73, 1419–1426 (2009).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zhu, B., Wang, ZH & Zhang, XB Phosphorfraktionen und Freisetzungspotenzial von Grabensedimenten aus verschiedenen Landnutzungen in einem kleinen Einzugsgebiet des oberen Jangtsekiang. J. Soils Sediments 12, 278–290 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Zhu, B., Wang, T., You, X. & Gao, MR Nährstofffreisetzung durch Verwitterung violetter Gesteine ​​im Sichuan-Becken. China. Pedosphere 18, 257–264 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

He, YR Lila Böden in China (1). 69–70 (The Science Publishing Company, 1991).

Rotthauwe, JH, Witzel, KP & Liesack, WJ Das Ammoniakmonooxygenase-Strukturgen amoA als funktioneller Marker: Molekulare Feinanalyse natürlicher. Ammoniak oxidierende Populationen. Appl. Umgebung. Mikrobi. 63, 4704–4712 (1997).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Francis, CA, Roberts, KJ, Beman, JM, Santoro, AE & Oakley, BB Allgegenwart und Vielfalt ammoniakoxidierender Archaeen in Wassersäulen und Sedimenten des Ozeans. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 102, 14683–14688 (2005).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, J., Mueller, C. & Cai, Z. Heterotrophe Nitrifikation von organischem N und sein Beitrag zu Lachgasemissionen in Böden. Bodenbiol. Biochem. 84, 199–209 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Stieglmeier, M. et al. Aerobe Lachgasproduktion durch N-nitrosierende Hybridbildung in Ammoniakoxidierenden Archaeen. The ISME J. 8, 1135–1146 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Werner, C. et al. N2O-, C4- und CO2-Emissionen aus saisonalen tropischen Regenwäldern und einer Kautschukplantage im Südwesten Chinas. Pflanzenboden 289, 335–353 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Lin, Y. et al. Die aus Weizenstroh gewonnene Biokohle-Ergänzung stimulierte die N2O-Emissionen aus Reisfeldern, indem sie die amoA-Gene ammoniakoxidierender Bakterien regulierte. Bodenbiol. Biochem. 113, 89–98 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Zhu, Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 110, 6328–6333 (2013).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Prosser, JI & Nicol, GW Archaeale und bakterielle Ammoniakoxidationsmittel im Boden: Die Suche nach Nischenspezialisierung und -differenzierung. Trends Mikrobiol. 20, 523–531 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Yao, HY et al. Zusammenhänge zwischen der Struktur, der Häufigkeit und dem Nitrifikationspotenzial der Ammoniak-Oxidationsmittel-Gemeinschaft in sauren Böden. Appl. Umgebung. Mikrobiol. 77, 4618–4625 (2011).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

He, JZ, Hu, HW & Zhang, LM Aktuelle Erkenntnisse zur autotrophen thaumarchaealen Ammoniakoxidation in sauren Böden. Bodenbiol. Biochem. 55, 146–154 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

De Boer, W. & Kowalchuk, GA Nitrifikation in sauren Böden: Mikroorganismen und Mechanismen. Bodenbiol. Biochem. 33, 853–866 (2001).

Artikel Google Scholar

Martens-Habbena, W., Berube, PM, Urakawa, H., de La Torre, JR & Stahl, DA Die Ammoniakoxidationskinetik bestimmt die Nischentrennung von nitrifizierenden Archaeen und Bakterien. Natur 461, 976–979.

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Stark, JM & Firestone, MK Kinetische Eigenschaften von Ammoniumoxidationsgemeinschaften in einem einjährigen Grasland aus kalifornischem Eichenwald. Bodenbiol. Biochem. 28, 1307–1317 (1996).

Artikel CAS Google Scholar

Damsté, JS et al. Anreicherung und Charakterisierung eines autotrophen Ammoniak-oxidierenden Archaeus der mesophilen Crenarchaealgruppe I.1a aus einem landwirtschaftlich genutzten Boden. Appl. Umgebung. Mikrobiol. 77, 8635–8647 (2011).

Artikel ADS Google Scholar

Di, HJ, Cameron, KC, Podolyan, A. & Robinson, A. Einfluss des Bodenfeuchtigkeitsstatus und eines Nitrifikationshemmers, Dicyandiamid, auf das Wachstum von Ammoniakoxidations- und Denitrifikatoren und die Lachgasemissionen in einem Grünlandboden. Bodenbiol. Biochem. 73, 59–68 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Di, HJ & Cameron, KC Hemmung der Ammoniumoxidation durch eine flüssige Formulierung von 3,4-Dimethylpyrazolphosphat (DMPP) im Vergleich zu einer Dicyandiamid (DCD)-Lösung in sechs beweideten Grünlandböden in Neuseeland. J. Soils Sediments 11, 1032–1039 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, LM, Hu, HW, Shen, JP & He, JZ Ammoniak-oxidierende Archaeen spielen bei der Ammoniakoxidation stark saurer Böden eine wichtigere Rolle als Ammoniak-oxidierende Bakterien. ISME J. 6, 1032–1045 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Hink, L., Gubryrangin, C., Nicol, GW & Prosser, JI Die Folgen der Nischen- und physiologischen Differenzierung archaischer und bakterieller Ammoniakoxidationsmittel für Lachgasemissionen. ISME J. 12, 1084–1093 (2018).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mørkved, PT, Dörsch, P. & Bakken, LR Das N2O-Produktverhältnis der Nitrifikation und seine Abhängigkeit von langfristigen Änderungen des Boden-pH-Werts. Bodenbiol. Biochem. 39, 2048–2057 (2007).

Artikel Google Scholar

Smith, Z., McCaig, AE, Stephen, JR, Embley, TM & Prosser, JI Artenvielfalt unkultivierter und kultivierter Populationen von Boden- und Meeresammoniak oxidierenden Bakterien. Mikrob. Ökologisch. 42, 228–237 (2001).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Shaw, LJ et al. Nitrosospira spp. Kann über einen nitrifizierenden Denitrifikationsweg Lachgas produzieren. Umgebung. Mikrobiol. 8, 214–222 (2006).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Jung, MY et al. Anreicherung und Charakterisierung eines autotrophen Ammoniak-oxidierenden Archaeons der mesophilen Crenarchaeal-Gruppe I.1a aus einem landwirtschaftlich genutzten Boden. Appl. Umgebung. Mikrobiol. 77, 8635–8647 (2011).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Jung, MY et al. Isotopensignaturen von N2O, das von Ammoniak oxidierenden Archaeen aus Böden erzeugt wird. ISME J. 8, 1115–1125 (2013).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Walker, CB et al. Das Genom von Nitrosopumilus maritimus enthüllt einzigartige Mechanismen für Nitrifikation und Autotrophie in weltweit verbreiteten marinen Crenarchaeen. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 107, 8818–8823 (2010).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tourna, M. et al. Nitrososphaera viennensis, ein Ammoniak oxidierendes Archaeon aus dem Boden. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. USA 108, 8420–8425 (2011).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Spang, A. et al. Das Genom des Ammoniakoxidierenden Candidatus Nitrososphaera gargensis: Einblicke in die metabolische Vielseitigkeit und Umweltanpassungen. Umgebung. Mikrobiol. 14, 3122–3145 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Stieglmeier, M. et al. Aerobe Lachgasproduktion durch N-nitrosierende Hybridbildung in Ammoniak oxidierenden Archaeen. The ISME J. 8, 1135–1146 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Subbarao, GV et al. Umfang und Strategien zur Regulierung der Nitrifikation in landwirtschaftlichen Systemen – Herausforderungen und Chancen. Krit. Rev. Plant Sci. 25, 303–335 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Balkcom, KS, Blackmer, AM, Hansen, DJ, Morris, TF & Mallarino, AP Testen von Böden und Maisstängeln, um das Stickstoffmanagement im Wassereinzugsgebietsmaßstab zu bewerten. J. Umgebung. Qual. 32, 1015–1024 (2003).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Shoji, S. & Kanno, H. Verwendung von Polyolefin-beschichteten Düngemitteln zur Steigerung der Düngemitteleffizienz und zur Reduzierung der Nitratauswaschung und Lachgasemissionen. Nuss. Zykl. Agrarökosysteme. 39, 147–152 (1994).

CAS Google Scholar

Zvomuya, F., Rosen, CJ, Russell, MP & Gupta, SC Nitratauswaschung und Stickstoffrückgewinnung nach Anwendung von polyolefinbeschichtetem Harnstoff auf Kartoffeln. J. Umgebung. Qual. 32, 480–489 ​​(2003).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Campbell, CA, Myers, RJK & Curtin, D. Stickstoffmanagement für eine nachhaltige Pflanzenproduktion. Fert. Res. 42, 277–296 (1995).

Artikel CAS Google Scholar

Corrochano-Monsalve, M. et al. Zusammenhang zwischen Bodenbearbeitungsmanagement und der Wirksamkeit des DMPSA-Nitrifikationshemmers. Wissenschaft. Gesamtumgebung. 718, 134748 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Deng, Q. et al. Bewertung der Auswirkungen der Bodenbearbeitung und des Düngemanagements auf die Lachgasemissionen in einem Maisfeld mithilfe des DNDC-Modells. J. Geophys. Res-biogeo. 121, 337–349 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Prosser, JI, Hink, L., Gubry-Rangin, C. & Nicol, GW Lachgasproduktion durch Ammoniakoxidationsmittel: Physiologische Vielfalt, Nischendifferenzierung und mögliche Minderungsstrategien. Globus. Chang. Biol. 26, 103–118 (2020).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Forschung wurde vom Schlüsselprojekt der National Science Foundation of China (U20A20107) und der National Natural Science Foundation of China (41301266) unterstützt.

Schlüssellabor für Bergoberflächenprozesse und ökologische Regulierung, Institut für Gebirgsgefahren und Umwelt, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Nr. 9, Block 4, Renminnanlu Road, Chengdu, 610041, Sichuan, China

Lei Hu, Zhixin Dong und Bo Zhu

Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking, 100049, China

Lei Hu

Institut für Geographische Wissenschaften und Forschung zu natürlichen Ressourcen, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Peking, 100101, China

Zheng Wang

Technische Universität Chengdu, Chengdu, 610059, China

Liwei Xiao

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

LH und BZ haben die Experimente entworfen. LH, ZW und LX beteiligten sich an der Datenerfassung und -analyse für die Arbeit. LH hat das Manuskript geschrieben. ZD und BZ überarbeiteten es kritisch hinsichtlich wichtiger intellektueller Inhalte. Alle Autoren stimmten der Einreichung zu.

Korrespondenz mit Bo Zhu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Hu, L., Dong, Z., Wang, Z. et al. Die Beiträge von Ammoniak oxidierenden Bakterien und Archaeen zur nitrifikationsabhängigen N2O-Emission in alkalischen und neutralen Purpurböden. Sci Rep 12, 19928 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23084-1

Zitat herunterladen

Eingegangen: 14. Juni 2022

Angenommen: 25. Oktober 2022

Veröffentlicht: 19. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23084-1

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.