功能性微生物菌剂调控堆肥改良土壤中DNRA与反硝化途径平衡的机制研究

《Journal of Environmental Management》：Functional microbial inoculants affect the balance of DNRA and denitrification pathways in compost amended soil

本综述通过同位素标记和代谢组学分析，揭示了功能性微生物菌剂（特别是DNRA功能菌剂E2）如何通过调控精氨酸代谢途径（降低瓜氨酸含量）影响异化硝酸盐还原为铵（DNRA）与反硝化作用的竞争平衡。研究表明，E2菌剂显著促进硝酸盐氮（NO3?-N）向铵态氮（NH4+-N）转化，上调nrfA基因表达，抑制反硝化关键基因（nosZ、nirK），并增强与Thermomonas等菌属的协同作用，为土壤氮素保留和生态调控提供新策略。

　　

竞争体系构建

实验从污泥中筛选出两株具有潜在DNRA和反硝化功能的菌株，经鉴定分别为不动杆菌属（Acinetobacter）和假单胞菌属（Pseudomonas）。其中不动杆菌具备反硝化功能，而假单胞菌则拥有DNRA功能（图S2）。DNRA功能菌在纯培养体系中展现出高效的硝酸盐转化能力，为后续竞争机制研究奠定基础。

16S rRNA高通量测序

由北京诺禾致源公司利用Illumina NovaSeq平台对16S rRNA V3-V4区进行扩增测序。所用引物为正向5′-CCTAYGGGRBGCASCAG-3′和反向5′-GGACTACNNGGGTATCTAAT-3′，以此解析微生物群落结构变化（Shen等，2024）。

竞争体系内理化与基因参数变化

通过评估不同微生物对硝酸盐氮和铵态氮的转化能力，揭示其在氮循环中的特异性功能。结果显示，两类菌株均能消耗硝酸盐，但消耗趋势随时间波动，可能与培养基中高浓度硝酸钾的缓冲作用有关。DNRA功能菌（E2组）显著提升铵态氮积累量，最大增幅达13.54%，且nrfA基因相对表达量较E3组提高约8倍，同时抑制反硝化基因nosZ和nirK的表达。

功能微生物竞争体系代谢物研究

微生物代谢物可精准反映内部生化反应进程。在培养72小时时，T-AB（双菌共培）与T-A（单菌）组间基因和理化性质差异最为显著。T-A体系的铵态氮浓度高于T-AB，证明两类功能菌存在竞争关系。代谢组学分析显示，精氨酸代谢途径的关键中间体瓜氨酸含量显著降低，表明微生物通过调控该通路完成竞争性互作。

结论

在纯培养体系中，两类功能微生物的基因表达模式和铵态氮转化能力存在显著差异。氮代谢物分析表明，二者通过调节精氨酸代谢途径（降低瓜氨酸含量）完成竞争。在堆肥过程中，E2菌剂的添加显著促进硝酸盐利用和铵态氮生成，并通过增强nrfA基因表达、抑制反硝化基因，使DNRA途径占据主导地位。