科研 | 落叶林土壤中氧氮化物排放的微生物机制及生态系统通量估算
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导 读
活性氮氧化物（NOy）会对空气质量，能见度和人体健康产生负面影响。在未来NOy的重要性日益增加，但对NOy的生物来源知之甚少。使用来自两个不同植物和土壤特征的林分的土壤，我们表明氨氧化细菌和较小程度的异养微生物是NOy的主要生产者。此外，我们表明氨氧化古菌对NOy贡献很小，但在确定森林的氮循环速率方面发挥着核心作用。鉴于树种与土壤特征之间的已知关系，我们得出结论，NOy排放在空间上是可变的。
论文ID
原名：Microbial mechanisms and ecosystem flux estimation for aerobic NOy emissions from deciduous forest soils
译名：落叶林土壤有氧氮排放的微生物机制与生态系统通量估算
期刊：PNAS
IF：9.504
发表时间：2018.12
通信作者：Douglas B. Ruschg和 Jonathan D. Raff
通信作者单位：美国印第安纳大学（Indiana University）
实验设计
人为氮氧化物排放量的减少以及化肥使用和全球温度的上升，增加了土壤排放活性氮氧化物的重要性。虽然对与农业相关的氮氧化物的土壤排放进行了充分的研究，但对森林内这些气体的来源和了解却很少。与森林内土壤-大气交换相关机制的不确定性限制了我们模拟大气成分和预测氮（N）循环过程如何影响臭氧，气溶胶和气候的能力。为了推进这些氮氧化物的建模工作，需要更好地了解控制其排放的性质。已经确定在硝化过程中释放出NOy（图1），这是氨（NH3）被微生物转化成硝酸盐（NO3ˉ）。硝化作用是全球氮循环中最重要的步骤之一，因为它有利于N对植物和微生物的利用，以及生态系统通过淋溶（陆地生态系统）和气体损失（陆地和土壤流失）的程度。
图1：土壤氮循环过程概述显示了主要的转化和产物。灰色（硝化），红色（硝化反硝化）和蓝色（反硝化）。
实验结果
化能自养氨氧化古菌（AOA）介导土壤中丛枝菌根（AM）的净硝化速率
我们观察到土壤丛枝菌根和外生菌根之间的净硝化作用和添加抑制剂的响应差异很大（图2）。土壤AM的净硝化速率大约是外生菌根土壤（ECM）的10倍。抑制剂实验表明化能自养氨氧化古菌主要负责土壤丛枝菌根的硝化作用。然而，化能自养氨氧化细菌（AOB）确实有助于NO2-+ NO3-的积累，虽然程度较小。添加1-辛炔（抑制AOB）对AM土壤的硝化作用影响有限，导致每天每克土壤的硝化作用减少0.13μg。然而，添加乙炔（抑制AOA和AOB）使每天每克土壤的硝化作用（相对于1-辛烯处理）减少0.47μg，表明AOA群体比AOB更有助于硝化作用。相反，AOA和AOB的抑制对ECM土壤中的硝化作用没有影响。
图2：1-辛炔和乙炔净硝化的比率。
qPCR用于量化土壤中细菌和古细菌NH3氧化剂的丰度。我们发现，虽然在给定的土壤类型中，AOA比AOB更丰富，但AM和ECM土壤之间的AOA群体没有差异（图3）。AOA丰度在AM土壤而不是在ECM土壤的净硝化率（58％），说明变异的显著量，表明它们在ECM土壤中的存在，并不表示NO2-+ NO3-积累此外，添加乙炔对ECM土壤中的净硝化作用没有显着影响，表明AOA的抑制不会改变NO2-+ NO3-的净产量。一个重要的问题是为什么ECM土壤的速率如此之低，尽管AOA丰度与AM土壤相似。一个假设是ECM土壤的低pH值限制了硝化作用。ECM土壤中的低硝化速率是否是由于NO3-的微生物同化作用更强，从而防止净NO3-积累，或者其他一些机制需要进一步研究。
图3：AOB和AOA amoA在每克土壤的拷贝数的定量
尽管比AOA有更低的丰度，但AOB控制土壤NOy的排出
AM和ECM土壤之间的NOy通量非常不同，AM土壤相对于ECM土壤产生显着更大的NO，NO2和HONO通量（图4）。此外，选择NH3氧化剂被抑制时NOy产量的差异表明AOB是产生NOy的主要驱动因素，这与硝化速率的显示相反。这表明存在一些生理机制，通过该机制，AOB相对于AOA更容易通过挥发而失去硝化底物。这可能主要是NH2OH损失和随后土壤中非生物过程。具体而言，AOA和AOB都有可能在NH3氧化过程中将NH2OH释放到细胞外基质中。但是，一些AOA类群已被证明可释放的气体远远少于AOB。这可能是AOA中未表征的NH2OH-氧化酶的结果。因此，有氧土壤条件下的NOy释放可能是由AOB酶活性引发的。
有趣的是，并非所有的NOy气体通量表现都相同，表明生产机制可能存在差异（图4）。NO通量值与使用美国东部落叶林土壤的另一种实验相似。关于添加抑制剂，当施加1个辛烯时，AM土壤NO通量减少一半，这相当于添加乙炔时的NO通量。这表明，在AM土壤中，AOB贡献了大约一半的NO产生，另一半可归因于非生物或异养来源。NO产生的主要机制可能是释放到细胞外基质中的NH2OH和随后的非生物过程的组合效应，在NH2OH氧化过程中AOB的生物衍生释放NO和硝化剂反硝化过程中NO2-的减少。AOA产生的任何NO不从细胞中释放出来，而是在NH2OH脱氢过程中使用。ECM土壤中的NO通量通常较低，并且对抑制剂没有响应，表明是异养或非生物来源。考虑到在乙炔存在下缺乏净NO2-+ NO3-产生，非生物机制是ECM土壤中最可能的NO源。
AM土壤产生NO2，添加抑制剂没有变化，而ECM土壤随着添加抑制剂减少NO2；在大气中，NO2可以源自土壤中臭氧与NO的反应。我们的观察结果不受此反应的影响，因为用于我们实验室实验的零空气中不存在臭氧。相反，我们的证据表明，从AM土壤中排放的NO2具有生物来源，并且很可能是由其他硝化中间体的反应形成的。我们检测NO2的方法不容易产生这样的差错，因为我们在大多数NOy物种未吸收的波长（395nm）下光解NO2，并且我们校正在该波长下吸收的HONO的量。与其他两种NOy气体一致，AM土壤中的HONO产量显着增加。当加入1-辛炔时，HONO通量显着降低，表明其主要来源是AOB硝化。生成HONO的可能机制是NH2OH的酶促和非生物氧化，随后土壤基质中的NO2-质子化。AM土壤中较高的HONO产量与较高的净硝化水平直接相关。我们认为较高的AOB对HONO产生的贡献主要是来自细胞外NH2OH的非生物合成的功能。
图4:响应于抑制剂添加，它们各自孵育的第14,15和16小时的NO，NO2和HONO的平均通量。
土壤中NOy通量的作用机制
抑制剂实验表明，AOB主要负责NOy通量，而AOA主要负责NO2-+ NO3-的产生；然而，AOB也发生硝化反应。如上所述，AOB的优势可能原因是由于AOB对硝化衍生的底物如NH2OH的高亲和力。我们总结了图5中有氧氮氧化物生成的潜在机制。简而言之，AOB和AOA都将NH3氧化成NH2OH。然而，由于对NH2OH的亲和力较低，AOB产生的一些NH2OH会损失，因此它被分解成各种含氮气体。对于适中pH土壤中的AOB，这种硝化作用的初始步骤更频繁地发生，导致AM土壤中相对于ECM土壤高的NOy通量。在初始步骤中产生的NH2OH可以被AOA直接氧化成NO2-。理论上，AOB可以从细胞中释放出这种NO，因此AOA可以利用它来使NH2OH脱氢，这表明在有氧条件下AOA和AOB之间存在假共生关系。因此AOA在有氧条件下显示为主要生成NO2-+ NO3-，在从AOA和AOB转移到NOB期间，一些产生的NO2-也可能损失，随后质子化为HONO或还原为NO。转移过程中的这种NO2-损失在干燥土壤中显示普遍存在。考虑到当AOB被抑制时NO和HONO通量均降低，NH2OH氧化衍生的NO可能与HONO生成直接相关，最可能是通过NO2-的生成和随后的质子化。如前所述，有氧N2O的产生主要归因于AOB。
图5：AOA和AOB依赖性产生NOy的可能机制。
NOy生产的主要控制途径可用于预测其通量
使用线性回归方程，认为土壤pH值是NO和NO2通量峰值的最佳预测指标，而硝化速率最能预测HONO通量。观察到土壤pH值解释了NO通量的显着变化可能是由于AOB活性和通量之间的关系。也就是说，证明来自土壤的主要自养NO通量来源是AOB，在较弱的酸性环境中，AOB往往丰富（图3）。其他研究表明，低土壤pH值下的NO通量较高，这主要归因于较高的化学脱氮率。尽管AM土壤比ECM土壤更具碱性，但它仍然具有很强的酸性，并且确实具有过量的硝化产物，这些产物可能会减少。
使用上述NOy与土壤pH和硝化速率的关系产生了美国东部的NOy通量图（图6）。该图表明，在美国东部的几个地区，包括中央内陆阔叶林，东阔叶林，下密西西比河流域和中西部阔叶林，在美国东部存在明显的NOy生产趋势。通过平均NOy通量，我们估计整个美国东部的森林土壤每平方米每小时产生147±68微克NOy-N。研究报告来自森林的NO通量值的高度倾向于ECM森林，这说明了我们测量的重要性。少数研究调查AM和ECM土壤的NO通量与我们的观察结果一致，即AM土壤相对于ECM土壤产生更多的NO。我们对NOy的估计平均值为每平方米每小时52±17微克NO-N。在这方面，我们的价值可能代表了森林土壤中NOy排放的上限。我们分析的一个缺点是缺乏针叶林数据。
图6:基于菌根关联的估算NOy通量图。
结 论
活性氮氧化物（NOy; NOy = NO + NO2+ HONO）降低了空气质量并对辐射有影响，但是从土壤排放的因素仍然知之甚少。我们调查了控制生产的因素。使用分子技术，基于过程的分析和抑制实验，在森林土壤中使用有氧NOy。我们随后利用这些数据确定了美国东部森林的气体排放热点。在这里，我们表明氮氧化物土壤排放是由微生物群落结构，土壤化学特征和氮（N）转化率介导的。我们发现，虽然硝化速率主要由化学自养氨氧化古菌（AOA）控制，但NOy的产生很大程度上是由化学自养氨氧化细菌（AOB）介导的。硝化速率和氮氧化物排放的变化跟踪森林群落的变化，因为丛枝菌根（AM）占主导地位的氮转化率和NOy通量比外生菌根（ECM）更高。鉴于来自78,000个森林的AM和ECM的映射分布，我们估计中西部和美国东部以及密西西比河走廊的阔叶林可能被认为是生物氮排放的热点。总之，我们的结果提高了我们对来自森林的NOy通量的理解。
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