Disturbances of electron production, transport and utilization caused by chlorothalonil are responsible for the deterioration of soil denitrification

百菌清引起的電子生產(chǎn)、運(yùn)輸和利用擾動(dòng)是導(dǎo)致土壤反硝化惡化的原因

來(lái)源：Soil Biology and Biochemistry, Volume 134, 2019, Pages 100-107

《土壤生物學(xué)與生物化學(xué)》，第134卷，2019年，100-107頁(yè)

 

摘要：

摘要部分指出，農(nóng)藥的廣泛使用對(duì)土壤反硝化過(guò)程構(gòu)成威脅，并可能影響溫室氣體氧化亞氮（N2O）的排放。本研究探討了百菌清（CHT）及其主要代謝物4-羥基百菌清（4OH-CHT）對(duì)土壤反硝化的影響。結(jié)果顯示，CHT導(dǎo)致土壤反硝化速率下降27.4%-72.2%，但N2O排放量意外增加83.9%-299.5%。這種擾動(dòng)主要由CHT引起，而非其代謝物，且表現(xiàn)為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制，抑制常數(shù)為9.74 mg kg-1。機(jī)制研究表明，CHT通過(guò)惡化有機(jī)物代謝（電子生產(chǎn)）、電子呼吸鏈（電子運(yùn)輸）和反硝化酶活性（電子利用）來(lái)抑制反硝化過(guò)程，而非通過(guò)影響反硝化微生物群落或基因豐度。結(jié)構(gòu)方程模型表明，電子呼吸鏈和N2O還原酶活性是解釋CHT污染土壤中反硝化變化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。研究暗示，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥的廣泛使用可能擾亂土壤氮循環(huán)并增加溫室氣體N2O的產(chǎn)生。

 

研究目的：

研究目的包括三個(gè)方面：一是探索百菌清（CHT）對(duì)土壤反硝化過(guò)程（包括反硝化速率、N2O排放、反硝化酶活性和基因豐度）的響應(yīng)；二是揭示CHT存在下反硝化過(guò)程的微生物代謝機(jī)制；三是建立CHT污染土壤中微生物代謝、反硝化酶活性與反硝化速率之間的關(guān)系。

 

研究思路：

研究思路首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，將土壤樣品暴露于不同濃度的CHT（5、10、25 mg kg-1）及其代謝物4OH-CHT（0.5、2.5、5 mg kg-1），在厭氧條件下培養(yǎng)72小時(shí)。測(cè)量了CHT和代謝物的消散、土壤呼吸率、反硝化速率（使用15N同位素配對(duì)技術(shù)）、N2O積累、反硝化酶活性（NAR、NIR、NOR、NOS）、基因豐度（narG、nirS、nirK、norB、nosZ）、微生物代謝參數(shù)（如電子呼吸鏈活性、葡萄糖利用、NADH、ATP、丙酮酸水平）以及微生物群落結(jié)構(gòu)。通過(guò)抑制模型和結(jié)構(gòu)方程模型分析數(shù)據(jù)，以闡明CHT影響反硝化的分子機(jī)制和關(guān)鍵因素。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1. 土壤呼吸率數(shù)據(jù)：測(cè)量了基礎(chǔ)呼吸率和底物誘導(dǎo)呼吸率，研究意義在于評(píng)估CHT對(duì)土壤微生物活性和健康的影響，表明CHT抑制微生物代謝。數(shù)據(jù)來(lái)自Fig.1。

 

2. 反硝化速率和N2O積累數(shù)據(jù)：使用15N配對(duì)方法測(cè)量反硝化速率，并監(jiān)測(cè)N2O排放，研究意義在于量化CHT對(duì)氮循環(huán)和溫室氣體排放的直接影響，顯示反硝化抑制但N2O增加的反?，F(xiàn)象。數(shù)據(jù)來(lái)自Fig.2。

 

 

3. 反硝化酶活性和基因豐度數(shù)據(jù)：測(cè)量了NAR、NIR、NOR、NOS活性及相關(guān)基因豐度，研究意義在于區(qū)分酶活性（功能層面）和基因豐度（遺傳層面）的影響，表明CHT主要通過(guò)抑制酶活性而非改變基因來(lái)擾亂反硝化。數(shù)據(jù)來(lái)自Fig.3。

 

4. 微生物代謝數(shù)據(jù)：包括葡萄糖利用、GK活性、GAPDH活性、丙酮酸含量、NADH水平、ATP水平等，研究意義在于從電子生產(chǎn)角度揭示CHT抑制反硝化的機(jī)制，如GAPDH活性下降導(dǎo)致NADH減少。數(shù)據(jù)來(lái)自Fig.4。

 

 

5. 電子呼吸鏈活性（ERCA）數(shù)據(jù)：測(cè)量電子運(yùn)輸能力，研究意義在于連接電子生產(chǎn)與利用，顯示CHT抑制電子運(yùn)輸，間接影響反硝化。

6. 結(jié)構(gòu)方程模型數(shù)據(jù)：分析微生物代謝和酶活性對(duì)反硝化速率的直接和間接效應(yīng)，研究意義在于識(shí)別關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，如NOS活性是最敏感指標(biāo)。數(shù)據(jù)來(lái)自Fig.5和Table1。

 

 

結(jié)論：

研究得出以下結(jié)論：百菌清（CHT）通過(guò)擾亂電子生產(chǎn)（如抑制GAPDH活性和NADH生成）、電子運(yùn)輸（抑制電子呼吸鏈活性）和電子利用（抑制反硝化酶活性，尤其是NOS活性）導(dǎo)致土壤反硝化速率下降，但同時(shí)增加N2O排放。這種非競(jìng)爭(zhēng)性抑制機(jī)制表明，CHT直接作用于酶功能而非微生物群落結(jié)構(gòu)。NOS活性被識(shí)別為預(yù)測(cè)反硝化變化的關(guān)鍵因素。研究強(qiáng)調(diào)，農(nóng)藥使用可能加劇氮循環(huán)紊亂和溫室氣體排放，需在農(nóng)業(yè)管理中加以控制。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense電極（具體為MMM-Meter微傳感器多路表）測(cè)量N2O含量變化，用于估計(jì)一氧化氮還原酶（NOR）和氧化亞氮還原酶（NOS）活性。研究意義在于，這種高精度測(cè)量提供了反硝化過(guò)程中氣體動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，允許準(zhǔn)確量化酶活性變化。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)監(jiān)測(cè)N2O的生成和消耗，可以直接評(píng)估NOS活性（負(fù)責(zé)N2O還原為N2），這對(duì)理解CHT如何干擾反硝化末端步驟至關(guān)重要。Unisense電極的數(shù)據(jù)揭示了CHT優(yōu)先抑制NOS活性，導(dǎo)致N2O積累，從而連接了微觀(guān)酶活性與宏觀(guān)溫室氣體排放。這種技術(shù)增強(qiáng)了機(jī)制研究的可靠性，為評(píng)估農(nóng)藥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供了重要工具。