优化蕨类植物（Pteris vittata）的生长条件可以使其在多个生长周期内更有效地从饮用水中提取砷

《Environmental Technology & Innovation》：Optimizing the growth conditions of the fern Pteris vittata maximizes its ability to phytoextract arsenic from drinking water in multiple cycles

本研究探究了褪黑素与氮肥单独及联合处理对水稻田甲烷排放及土壤微生物群落的影响。通过16S rRNA测序和生物信息学分析发现，含褪黑素的处理显著减少甲烷排放（降低50%），并富集甲烷氧化菌（如Methylocystis、Methylomonas），同时提高微生物多样性（Chao1指数增45%）和群落稳定性，为可持续农业减排提供新策略。

　　### 植物生长调节剂与氮肥协同作用对水稻田甲烷排放及微生物多样性的影响

水稻田是全球甲烷（CH?）排放的重要来源之一，其排放量占全球大气甲烷排放的5%至19%。甲烷的产生主要源于水稻田中厌氧条件下的微生物活动，特别是甲烷生成菌（如甲烷古菌）的代谢过程。同时，甲烷氧化菌在甲烷排放前将其转化为二氧化碳，从而减少温室气体的排放。因此，水稻田中的甲烷排放与土壤微生物群落的结构和功能密切相关。本研究旨在探讨植物生长调节剂褪黑素（melatonin）与氮肥在水稻田中的协同作用，以及其对甲烷排放和微生物群落多样性的影响。

褪黑素作为一种植物生长调节剂，已被证实能够促进水稻根系的发育，改善植物对逆境的耐受性。其作用不仅限于植物生理调控，还可能通过改变根系分泌物的组成，间接影响土壤微生物群落的结构和功能。而氮肥的使用则通过改变土壤的营养状况，对甲烷生成菌和甲烷氧化菌的活性产生显著影响。然而，氮肥对甲烷排放的调控作用存在争议，部分研究表明氮肥可能促进甲烷排放，而另一些研究则发现特定氮形态（如铵）可能通过抑制甲烷生成菌或增强甲烷氧化菌的活性，从而减少甲烷排放。

本研究通过在水稻田中应用六种不同的处理方式，包括对照组、褪黑素单独处理、氮肥单独处理、以及褪黑素与氮肥的组合处理（N1+M和N2+M），系统分析了这些处理对甲烷排放率和土壤微生物群落的影响。研究发现，褪黑素的添加显著增加了微生物多样性，并改变了微生物群落的结构。特别是在N1+M和N2+M处理中，微生物丰富度（Chao1指数）增加了高达45%，显示出最大的多样性。此外，β多样性分析表明，氮肥与褪黑素的组合处理能够形成更稳定、更独特的微生物群落，这可能有利于土壤生态系统的功能优化。

值得注意的是，褪黑素与氮肥的协同作用显著降低了甲烷排放。例如，N2+M处理的甲烷排放量比对照组减少了50%，而N1+M处理的排放量也有所下降。这一结果表明，褪黑素不仅能够促进甲烷氧化菌的增殖，还可能通过改变土壤环境，抑制甲烷生成菌的活性。研究进一步发现，某些关键的甲烷氧化菌属（如Methylocystis、Methylomonas和Methylocaldum）在褪黑素处理中显著富集，且其效应大小（η2）超过0.58，显示出褪黑素对甲烷氧化菌的强烈促进作用。

### 微生物群落的动态变化

通过高通量16S rRNA测序和生物信息学分析，研究揭示了不同处理对微生物群落组成的显著影响。α多样性指标（如Observed ASVs、Chao1、ACE和Shannon指数）显示，褪黑素处理显著提高了微生物的丰富度和均匀度。其中，N1+M处理的微生物丰富度最高，达到约1200个ASVs，比对照组增加了33%。同时，Shannon指数也显著提升，N1+M处理的Shannon值为7.0，而对照组仅为5.5。这些结果表明，褪黑素能够有效促进微生物群落的多样性，从而增强土壤生态系统的稳定性。

β多样性分析进一步揭示了不同处理对微生物群落结构的影响。通过Bray-Curtis距离和PERMANOVA分析，研究发现褪黑素与氮肥的组合处理在微生物群落结构上形成了独特的聚集模式，与对照组和氮肥单独处理相比具有更高的分离度。这表明，褪黑素不仅能够改变微生物的丰度，还能重塑其组成，从而影响土壤功能。例如，N1+M和N2+M处理中的微生物群落表现出更高的稳定性和功能多样性，这可能与其对甲烷氧化菌的富集有关。

### 关键微生物的富集与功能

研究还通过差异丰度分析和LEfSe（Linear Discriminant Analysis Effect Size）方法，识别了与不同处理显著相关的微生物类群。结果显示，某些关键的甲烷氧化菌属（如Methylocystis、Methylomonas和Methylocella）在褪黑素处理中显著富集，而这些菌属的效应大小（η2）均超过0.58，表明其在甲烷氧化过程中的重要性。此外，甲烷氧化菌科（Methylococcaceae）的丰度在褪黑素处理中也显著增加，这可能与褪黑素对根系代谢的调节有关。例如，褪黑素可能通过改变根系分泌物的组成，为甲烷氧化菌提供更多的营养来源，从而促进其生长和活动。

值得注意的是，氮肥单独处理对甲烷氧化菌的促进作用相对有限，而褪黑素与氮肥的组合处理则表现出更强的富集效应。例如，在N2+M处理中，Methylocella和Methylocystis的丰度增加超过40%，这可能与氮肥对微生物生长的直接支持有关。同时，氮肥的使用可能通过改变土壤的营养状况，间接影响微生物群落的结构和功能，从而对甲烷排放产生调控作用。

### 微生物网络与生态功能的关联

通过构建微生物网络和进行层次聚类分析，研究进一步揭示了褪黑素与氮肥对微生物相互作用的影响。结果显示，褪黑素处理下的微生物网络更加复杂和互联，表明其能够促进微生物之间的协同作用，从而增强土壤生态系统的功能。相比之下，氮肥单独处理下的微生物网络则相对简单，可能与其对微生物群落的调控作用有限有关。此外，某些关键微生物类群（如Endomicrobia、Holophagae和Bacteroidia）在褪黑素处理中表现出显著的正相关，这可能与其在营养循环和有机物分解中的作用有关。

这些发现不仅支持了褪黑素在甲烷氧化过程中的积极作用，还揭示了其在促进土壤健康方面的潜力。例如，褪黑素处理可能通过增强微生物多样性，提高土壤的养分循环能力，从而改善土壤的肥力和稳定性。这种改善对于水稻种植尤为重要，因为健康的土壤微生物群落能够提高作物的产量和质量，同时减少温室气体的排放。

### 潜在应用与未来研究方向

本研究的结果表明，褪黑素与氮肥的组合处理是一种有效的策略，能够显著减少水稻田的甲烷排放，同时促进土壤微生物群落的多样性。这种处理方式不仅有助于实现可持续农业的目标，还可能为全球气候变化的缓解提供新的思路。然而，尽管本研究提供了有力的证据，但仍需进一步的田间试验来验证褪黑素处理在不同土壤类型和气候条件下的适用性和长期效果。

此外，未来的研究应关注褪黑素处理对土壤微生物功能的具体影响。例如，通过代谢组学和宏基因组学分析，可以更深入地了解褪黑素如何调控微生物的代谢途径，以及这些调控如何影响甲烷的氧化和生成。这将有助于开发更精确的微生物调控策略，从而在减少温室气体排放的同时，提高农业生产效率。

### 结论

综上所述，褪黑素与氮肥的协同作用在减少水稻田甲烷排放和促进土壤微生物多样性方面展现出巨大的潜力。通过增强甲烷氧化菌的丰度和多样性，褪黑素能够有效降低甲烷排放，同时改善土壤健康。这些发现不仅为可持续农业提供了新的解决方案，还为全球气候治理策略的制定提供了科学依据。未来的研究应进一步探索褪黑素处理的长期影响及其在不同农业环境中的适用性，以实现更广泛的应用和更有效的温室气体减排。