Acute response of soil denitrification and N2O emissions to chlorothalonil: A comprehensive molecular mechanism

氯噻啉對土壤反硝化和N2O排放的急性響應：一個全面的分子機制  

來源：Science of the Total Environment, Volume 636, 2018, Pages 1408-1415

《總體環境科學》，第636卷，2018年，第1408-1415頁

 

摘要  

摘要闡述了氯噻啉（CHT）作為一種高效殺菌劑，廣泛用于茶園防治病害。本研究通過72小時急性暴露實驗，發現CHT應用抑制土壤反硝化過程，減少硝酸鹽（NO3）去除效率，但顯著增加氧化亞氮（N2O）排放。CHT降低了反硝化功能基因（如nirK、nirS、nosZ）的豐度，并抑制了反硝化酶（NIR、NOR、NOS）的活性。電子傳遞系統活性（ETSA）值和三磷酸腺苷（ATP）含量與反硝化酶活性正相關，表明CHT通過影響微生物代謝抑制反硝化。這些發現揭示了CHT對土壤氮循環和溫室氣體排放的潛在風險。

 

研究目的  

研究目的是調查CHT對土壤反硝化過程的急性影響及相關分子機制。具體目標包括：研究CHT暴露下NO3還原和N2O排放的變化；評估CHT對反硝化酶活性、功能基因豐度和微生物群落的影響；分析CHT對電子傳遞鏈和微生物代謝的影響；建立反硝化過程與分子生物學指標之間的關系，以全面理解CHT的生態效應。

 

研究思路  

研究思路包括進行實驗室模擬實驗，采集茶園土壤，設置不同CHT濃度處理（0、5、10、25 mg kg?1），在厭氧條件下培養72小時。測量土壤中NO3、NO2、NH4和N2O濃度；提取DNA并通過qPCR分析反硝化功能基因（narG、nirS、nirK、norB、nosZ）豐度；測定反硝化酶（NAR、NIR、NOR、NOS）活性；測量ETSA值和ATP含量以評估微生物代謝；通過高通量16S rRNA測序分析微生物群落結構；進行統計和相關分析以揭示指標間關系。

 

測量的數據及研究意義  

1 CHT殘留量數據：來自圖1，顯示72小時后土壤中CHT殘留濃度（5、10、25 mg kg?1處理）。研究意義是確認CHT暴露水平，驗證實驗設計的有效性，并為后續效應分析提供劑量依據。  

  

2 NO3、NO2和N2O濃度數據：來自圖2，顯示CHT處理下NO3去除效率降低（從83.8%降至54.1%），NO2積累增加，N2O排放增加（最高94.8%）。研究意義是直接證明CHT抑制反硝化過程，導致氮素轉化異常和溫室氣體排放加劇，對土壤氮循環和氣候變化有重要影響。  

  

3 反硝化酶活性數據：來自圖3，顯示NIR、NOR和NOS活性在CHT處理下顯著降低，而NAR活性變化不顯著。研究意義是從酶學角度揭示CHT抑制反硝化的機制，特別是NOS活性大幅下降解釋N2O排放增加的原因。  

  

4 功能基因豐度數據：來自圖4，顯示nirK、nirS和nosZ基因豐度在CHT處理下降低（如nosZ降低50.7%）。研究意義是基因水平上證實CHT對反硝化微生物的毒性效應，說明功能基因減少導致酶活性下降和反硝化受阻。  

  

5 ETSA值和ATP含量數據：來自圖5，顯示CHT處理下ETSA值和ATP含量顯著降低。研究意義是表明CHT抑制微生物電子傳遞和能量代謝，從而影響反硝化過程的電子供應和能量需求，從代謝層面解釋反硝化抑制。  

  

6 相關性數據：來自圖6，顯示反硝化酶活性與ATP含量、ETSA值正相關。研究意義是建立分子指標與反硝化過程的定量關系，強調微生物代謝在反硝化中的關鍵作用，為評估CHT生態風險提供綜合指標。  

  

 

結論  

1 CHT急性暴露抑制土壤反硝化過程，降低NO3去除效率，并增加N2O排放，可能導致氮素流失和溫室效應加劇。  

2 CHT通過降低反硝化功能基因豐度和抑制酶活性（尤其是NOS）影響反硝化，同時減少微生物代謝活性（ETSA和ATP下降）。  

3 CHT的抑制效應與劑量相關，高濃度（25 mg kg?1）影響更顯著，需關注其農業應用中的環境風險。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義  

使用丹麥Unisense電極（如微傳感器）測量N2O濃度數據具有重要研究意義。在本文中，該電極用于測定反硝化酶活性實驗中的N2O濃度（如2.3節所述），提供高精度、實時的氣體監測。研究意義在于：首先，電極的高靈敏度（檢測限低）允許準確捕捉N2O的動態變化，從而可靠評估CHT對N2O排放的影響；其次，原位測量避免了樣品擾動，真實反映反硝化過程中N2O的產生和消耗，特別是用于測定NOS活性時N2O的還原速率；最后，這種技術增強了實驗的可靠性，為分子機制研究提供堅實數據支持，有助于理解CHT如何通過抑制NOS活性導致N2O積累。總體而言，Unisense電極的應用提升了研究的數據質量，使結論更具科學性和環境意義。