2018-07-26
派森诺生物再次与上海交通大学合作，在《Science of the Total Environment》（影响因子4.900）上发表文章，揭示化学肥料和有机肥的使用对CH4的排放和产甲烷菌的影响，探讨如何在保证产量的基础上，减少空气污染。
研究背景
甲烷（CH4）被认为是紧随二氧化碳（CO2）排名第二的温室气体，其在100年间使全球变暖的潜力是CO2的25倍。稻田土壤中的CH4的排放占全球的7%-17%。很多类型的肥料都会增强CH4的排放，特别是有机肥。
本文研究目的是为了探讨施用不同肥料对稻田中CH4和产甲烷菌类型的影响，对CH4的排放进行实时监控，也在水稻的整个生长阶段考察土壤理化因素的变化，并通过荧光定量PCR和高通量测序来探索产甲烷菌群的结构变化。
研究方法
测序技术：Illumina MiSeq平台
测序模式：16S rRNA基因V4区
实验设计：
实验对象 | 处理方式 | 组名 | 样品数 |
稻田土壤 | 未施肥 | Ctrl | |
化学肥料施肥 | CT | 3 | |
80%化学肥料+20%有机肥 | MT | 3 | |
有机肥 | OT | 3 |
研究结果
3.1 CH4排放和水稻产量
各个处理组每天CH4的排放趋势是类似的，在拔节期达到了最高值，并且在OT组中显著高于MT，CT和Ctrl组。而在季节性CH4的排放统计结果中，在分蘖期是最高的，各个阶段的CH4累积没有显著性差异。总之，相比于其他处理组，有机肥的施用显著增加了稻田中每天CH4和季节性CH4的排放。但是，OT组和Ctrl组的水稻产量比CT和MT组要低。
图1 稻田中每天CH4和季节性CH4的排放量统计
3.2 稻田土壤中有机酸含量
每个处理组的土壤有机酸浓度是不同的。土壤草酸在整个生长阶段是缓慢减少的，其在Ctrl和OT组中的平均含量是明显比CT和MT组更高。对苹果酸而言，化学肥料和有机肥都降低了其含量。而醋酸盐在各组中的含量统计结果说明化学肥料减少了醋酸盐含量。相比之下，柠檬酸和琥珀酸的平均含量在MT和OT组中比较高，腐殖酸在MT组中的平均含量是最高的。
图2 稻田中有机酸含量
3.3 稻田根际土壤中mcrA和pmoA基因拷贝数
移植后30天，mcrA和pmoA的基因拷贝数都有所减少，随后直到灌浆期一直是增加的。在成熟期，mcrA和pmoA的基因拷贝数已经减少到很低的水平。从返青期到成熟期，mcrA基因的平均拷贝数在各个处理中没有显著差异，但是pmoA基因的拷贝数在各组中有显著差异。相关性分析结果表明水稻生长阶段CH4的排放和mcrA和pmoA的基因拷贝数是显著负相关的，但是和mcrA/pmoA是正相关，说明mcrA和pmoA基因拷贝数和CH4的排放有着良好的相关性。
图3 稻田根际土壤中mcrA和pmoA基因拷贝数
3.4 稻田土壤中微生物菌群结构
高通量测序结果发现，门水平上共有四个古菌：Euryarchaeota、Parvarchaeota、Crenarchaeota和Nanoarchaeota。其中Euryarchaeota是含量最大的古菌，虽然在MT和CT组中的丰度比OT和CK组要高，但是在MT和CT组中没有显著差异。Crenarchaeota在MT组中的相对丰度要高于其他各组。同时发现Shannon多样性指数在Ctrl组中比其他处理组要显著高。
在科水平的物种丰度组成分析中，稻田中Methanocellaceae、Methanosarcinaceae和Methanobacteriaceae的相对丰度在MT和OT组中要比CT和Ctrl组要低。但是有机肥的施用增加了Methanosaetaceae和Methanoregulaceae的相对丰度。而Methanospirillaceae在CT组中的相对丰度要高于其他各组。
图4 各组中的特有/OTU数量Venn图分析
图5 古菌Euryarchaeota在科水平的物种相对丰度分布
通过测序在属水平上共鉴定到11种产甲烷菌群，Methanocella是主要菌群，在所有处理中的相对丰度达到了43.54%（CT>MT>OT>Ctrl）。从热图的分析结果中可以看出，四个处理被分为有机组（MT和OT）和非有机组（CT和Ctrl），聚类形成三个产甲烷菌群。第一个菌群的相对丰度在有机组中高于非有机组，第二个菌群偏向于氮肥的生长环境，第三个菌群受化学肥料影响其丰度是增加的，但是有机肥的施用降低了其丰度。
图6 产甲烷菌的相对丰度分布和属水平热图
RDA分析用来说明产甲烷菌群结构和理化因子的相关性，可以看到16个环境因子在第一主成分中解释了各组样本中80%的差异。在属水平，土壤醋酸盐、草酸、AK、AP、TC和H与OT组显著正相关。琥珀酸盐、EC和AN和MT组显著相关，而只有柠檬酸和CT组是相关的。
图7 稻田根际土壤中产甲烷菌和理化因子的RDA相关性分析
总结
本研究表明，CH4的排放在OT组中明显比其他三组更高，而且有机肥的施用也增加了土壤有机酸的含量。尤其是有机肥促进了乙酸发酵型产甲烷菌，同时抑制氢营养型产甲烷菌。产甲烷菌群的结构变化和C底物的可用性的增强或许可以解释OT组中相对其他处理组CH4排放量增加的原因。和OT组相比，MT组一定程度上减缓了CH4的排放，同时保证了水稻的高产。基于此，我们推荐当地的施肥模式应该从300 N kg ha−1的有机肥改变到同等水平的配方施肥。
本研究亮点：
1、CH4的排放和mcrA/pmoA正相关；
2、土壤有效钾、草酸、醋酸盐和琥珀酸盐显著影响占主导地位的产甲烷菌；
3、有机肥增加了乙酸发酵型Methanosaeta的相对丰度；
4、有机肥减少了氢营养型Methanocella的相对丰度。
参考文献
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.
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969718302754
