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、運輸和利用擾動是導致土壤反硝化惡化的原因

來源：Soil Biology and Biochemistry, Volume 134, 2019, Pages 100-107

《土壤生物學與生物化學》，第134卷，2019年，100-107頁

 

摘要：

摘要部分指出，農藥的廣泛使用對土壤反硝化過程構成威脅，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）對土壤反硝化的影響。結果顯示，CHT導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%。這種擾動主要由CHT引起，而非其代謝物，且表現為非競爭性抑制，抑制常數為9.74 mg kg-1。機制研究表明，CHT通過惡化有機物代謝（電子生產）、電子呼吸鏈（電子運輸）和反硝化酶活性（電子利用）來抑制反硝化過程，而非通過影響反硝化微生物群落或基因豐度。結構方程模型表明，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鍵驅動因素。研究暗示，農業生產中農藥的廣泛使用可能擾亂土壤氮循環并增加溫室氣體N2O的產生。

 

研究目的：

研究目的包括三個方面：一是探索百菌清（CHT）對土壤反硝化過程（包括反硝化速率、N2O排放、反硝化酶活性和基因豐度）的響應；二是揭示CHT存在下反硝化過程的微生物代謝機制；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系。

 

研究思路：

研究思路首先通過實驗室培養實驗，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72小時。測量了CHT和代謝物的消散、土壤呼吸率、反硝化速率（使用15N同位素配對技術）、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（如電子呼吸鏈活性、葡萄糖利用、NADH、ATP、丙酮酸水平）以及微生物群落結構。通過抑制模型和結構方程模型分析數據，以闡明CHT影響反硝化的分子機制和關鍵因素。

 

測量的數據及研究意義：

1. 土壤呼吸率數據：測量了基礎呼吸率和底物誘導呼吸率，研究意義在于評估CHT對土壤微生物活性和健康的影響，表明CHT抑制微生物代謝。數據來自Fig.1。

 

2. 反硝化速率和N2O積累數據：使用15N配對方法測量反硝化速率，并監測N2O排放，研究意義在于量化CHT對氮循環和溫室氣體排放的直接影響，顯示反硝化抑制但N2O增加的反常現象。數據來自Fig.2。

 

 

3. 反硝化酶活性和基因豐度數據：測量了NAR、NIR、NOR、NOS活性及相關基因豐度，研究意義在于區分酶活性（功能層面）和基因豐度（遺傳層面）的影響，表明CHT主要通過抑制酶活性而非改變基因來擾亂反硝化。數據來自Fig.3。

 

4. 微生物代謝數據：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角度揭示CHT抑制反硝化的機制，如GAPDH活性下降導致NADH減少。數據來自Fig.4。

 

 

5. 電子呼吸鏈活性（ERCA）數據：測量電子運輸能力，研究意義在于連接電子生產與利用，顯示CHT抑制電子運輸，間接影響反硝化。

6. 結構方程模型數據：分析微生物代謝和酶活性對反硝化速率的直接和間接效應，研究意義在于識別關鍵驅動因素，如NOS活性是最敏感指標。數據來自Fig.5和Table1。

 

 

結論：

研究得出以下結論：百菌清（CHT）通過擾亂電子生產（如抑制GAPDH活性和NADH生成）、電子運輸（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）導致土壤反硝化速率下降，但同時增加N2O排放。這種非競爭性抑制機制表明，CHT直接作用于酶功能而非微生物群落結構。NOS活性被識別為預測反硝化變化的關鍵因素。研究強調，農藥使用可能加劇氮循環紊亂和溫室氣體排放，需在農業管理中加以控制。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極（具體為MMM-Meter微傳感器多路表）測量N2O含量變化，用于估計一氧化氮還原酶（NOR）和氧化亞氮還原酶（NOS）活性。研究意義在于，這種高精度測量提供了反硝化過程中氣體動態的實時數據，允許準確量化酶活性變化。具體來說，通過監測N2O的生成和消耗，可以直接評估NOS活性（負責N2O還原為N2），這對理解CHT如何干擾反硝化末端步驟至關重要。Unisense電極的數據揭示了CHT優先抑制NOS活性，導致N2O積累，從而連接了微觀酶活性與宏觀溫室氣體排放。這種技術增強了機制研究的可靠性，為評估農藥環境風險提供了重要工具。