2019-06-20
正文
最近，派森诺生物与福建农林大学合作，在土壤科学领域杂志《Biology and Fertility of Soils》（影响因子：3.808）发表新一期研究论文，揭示了水稻土中厌氧氨氧化细菌群落活性，丰度和组成对不同施肥方式的响应。
研究背景
厌氧氨氧化作用的发现使得农业生态系统中氮循环变得更加复杂，它涉及厌氧条件下氨氧化以及亚硝酸盐还原和氮气生成中氮的去除。由于直接产物是N2而不是N2O，厌氧氨氧化是一种环保的、被忽视的除氮途径，可以替代异养反硝化作用。
农业生态系统中厌氧氨氧化的广泛分布可能导致氮损失，而这一点通常被忽视。这种显著的氮损失可以解释稻田氮素流失的差异，这种差异不能归因于NH3挥发，N2O排放，径流或淋溶，这表明厌氧氨氧化可能在农业生态系统中的氮去除中发挥重要作用。
研究目的
选择三种超过34年的不同施肥方式的水稻土壤，研究不同管理方式（是否添加秸秆）如何影响厌氧氨氧化细菌活性、丰度、多样性以及对氮损失的贡献量。
研究方法
测序技术：Illumina MiSeq 高通量测序平台
测序模式：厌氧氨氧化细菌16S rRNA基因（该研究采用巢式PCR：一轮引物为PLA46f-630r，二轮引物为Amx368f-820r）
实验设计：
土壤为灰黄色水稻土，土壤质地较重，主要初始化学性质如下：
pH 4.90
总有机物 21.6 g kg-1
碱解氮 141 mg kg-1
有效磷 12 mg kg-1
有效钾 41 mg kg-1
CK处理土壤水分显著高于NPK处理和NPKS处理。氮磷钾处理后，土壤pH值显著降低。与CK处理相比，两种肥料处理中可交换NH4+的浓度均显著增加，而在三种处理中未观察到硝酸盐浓度的显著差异。CK和NPK处理的总C和总N含量无显著差异，但明显低于NPKS处理。土壤EC在长期施肥后显著增加，可列为NPKS>NPK>CK。因此，NPK和NPKS肥料的施用对土壤性质有不同的影响。
表1 长期不同施肥方式对土壤化学性质的影响
在三种处理中，hzsB 基因的丰度均在4.9 ~ 6.1×106 copies g -1之间。三种土壤的hzsB 基因数量存在显著差异，NPK>NPKS>CK处理。NPK处理的16S rRNA基因丰度明显低于CK和NPKS处理。然而，NPK处理组中的厌氧氨氧化细胞数在总细菌细胞数的比例高于CK和NPKS处理组。
总体而言，在所有处理中，反硝化速率远高于厌氧氨氧化速率。厌氧氨氧化可能产生的总氮损失仅约6.2-7.8％，而其余部分则通过反硝化作用释放（N2产量的92.2-93.8%）。NPKS处理（2.4 nmol Ng-1 h-1）中的厌氧氨氧化速率高于CK和NPKS处理（1.7和1.8 nmol N g-1 h-1）。NPKS处理(36.1 nmol N g−1 h−1)土壤的反硝化活性显著高于CK (20.1 nmol N g−1 h−1)和NPK (21.2 nmol N g−1 h−1)处理。这说明稻草与化肥联合施用是水稻土壤氮素流失的重要处理手段。
图1 hzsB基因和总细菌16S rRNA基因的厌氧氨氧化细菌丰度（a)，厌氧氨氧化，反硝化活性及其对不同施肥水稻土中总氮产量的贡献（b）
三个处理获得总共42个OTU（CK 24个OTU，NPK 20个OTU和NPKS 27个OTU），所有序列主要隶属于Candidatus Brocadia，Candidatus Anammoxoglobus，Candidatus Scalindua 属，或未鉴定的Planctomycetaceae。Candidatus Brocadia 是丰度最高的厌氧氨氧化细菌属（75-89%），它在三组之间没有显著差异。Candidatus Anammoxoglobus也在所有处理中都有发现，其中在NPK中占一小部分，显著低于CK和NPKS处理组。
在三个处理中均检测到极低相对丰度的Candidatus Scalindua（0-1.1%），NPKS>NPK>CK。NPK土壤中厌氧氨氧化细菌群落Shannon，Simpson，Chao 1和ACE多样性指数低于CK和NPKS土壤，说明长期施用化肥（NPK）土壤厌氧氨氧化细菌群落多样性最低。
图2 不同施肥水稻土中厌氧氨氧化菌的群落组成
总结
总之，厌氧氨氧化菌对稻田土壤肥料的反应不同，因为厌氧氨氧化菌群落的活性，丰度和多样性随着不同的施肥而变化。无机肥料与稻草复合处理提高了厌氧氨氧化细菌的活性及其多样性，而单一施用化肥为厌氧氨氧化细菌细胞提供了良好的栖息地，但对其活性没有影响。未来的研究需要解决不同农业土壤受到不同施肥方式对厌氧氨氧化过程的影响。
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.
