硝化抑制剂对氨氧化原核生物的显著影响：生长、微生物群落及酶促机制

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：The distinct impact of nitrification inhibitors on ammonia-oxidizing prokaryotes: Growth, microbial community, and enzymatic mechanisms

农业土壤微宇宙实验表明，硝化抑制剂DMPP和DCD显著抑制氨氧化细菌（AOB）和共氨氧化菌（CMX）的生长，但对氨氧化古菌（AOA）影响较小。通过蛋白结构预测和分子对接发现，AOA的AMO酶与抑制剂结合能力较弱，导致其耐受性较强。研究揭示了抑制剂对AOPs群落结构的影响机制，为优化氮肥管理提供理论依据。

　　近年来，氮肥的使用在农业生产中占据了重要地位，它为植物的生长和繁殖提供了必要的营养元素。然而，氮肥在土壤中的转化过程往往伴随着氮素的损失，这主要通过硝化作用实现。硝化作用是指土壤中的氨氧化微生物将氨（NH??）转化为亚硝酸盐（NO??），再进一步氧化为硝酸盐（NO??）。这一过程不仅导致了氮素的流失，还可能产生温室气体——氧化亚氮（N?O），对环境造成负面影响。因此，提高氮肥的利用效率成为农业可持续发展的重要课题之一。

为了有效控制硝化作用，减少氮素的损失，科学家们开发了多种硝化抑制剂（NIs）。这些物质能够通过抑制氨氧化微生物的活性，延缓氮素的转化过程，从而提高氮肥的利用效率。目前，最常见的两种硝化抑制剂是3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）和二氰二胺（DCD）。DMPP是一种相对较新的硝化抑制剂，其性能在实验和实际应用中得到了验证。而DCD则自20世纪20年代以来被广泛用于土壤改良和硝化抑制，尽管其效果会受到环境因素的影响。研究表明，DMPP在较低的施用量下就能表现出与DCD在较高施用量下相似的抑制效果，这使其在某些情况下更具优势。

氨氧化微生物（AOPs）在硝化作用中起着核心作用，它们包括氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）以及能够独立完成氨氧化到硝酸盐转化的共氧化细菌（CMX）。在过去的几十年中，AOB被认为是土壤中主导的氨氧化者，但随着研究的深入，AOA和CMX的发现改变了这一传统认知。特别是CMX的出现，揭示了土壤硝化作用的复杂性。CMX具备完整的氨氧化和硝酸盐氧化功能，能够在无其他微生物参与的情况下完成整个过程，这使其在土壤氮素转化中具有重要的潜在贡献。

尽管NIs在农业实践中被广泛应用，但它们对AOPs生长和活性的具体影响，以及背后的机制，仍然存在诸多未解之谜。为了填补这一知识空白，本研究在农业土壤微宇宙中重复施用DMPP和DCD，考察其在不同浓度下的作用效果。实验结果显示，DMPP和DCD均显著抑制了AOB和CMX的生长，但对AOA则影响较小。此外，在21天的培养过程中，AOB和CMX的微生物群落结构发生了显著变化，出现了新的主导菌群，如Clade A和Clade B的土壤簇。这些变化表明，NIs可能通过改变微生物群落的组成，进而影响土壤的硝化能力。

为了进一步揭示NIs对AOPs的影响机制，本研究结合了蛋白质预测和分子对接分析。结果表明，AOA的氨单氧酶（AMO）与NIs分子之间的相互作用较弱，这可能是其对NIs具有较高耐受性的原因。相比之下，AOB和CMX的AMO结构与NIs分子之间的结合能力更强，导致其生长和活性受到更显著的抑制。这种差异可能源于AMO结构的多样性，不同微生物对NIs的敏感性因此不同。

此外，研究还发现，在不同的土壤类型和施用频率下，NIs对AOPs的影响存在显著差异。例如，在一些有机土壤中，DMPP对AOB的抑制效果较为有限，而在草甸土壤中，DMPP和DCD则对CMX的生长产生了明显的抑制作用。这些结果提示，土壤环境的复杂性可能影响NIs的作用效果，因此在不同的农业土壤中，NIs的使用效果可能有所不同。为了更好地理解这一现象，有必要在具有代表性的农业土壤中进行更系统的研究。

综上所述，本研究的主要发现包括：DMPP和DCD在农业土壤中显著抑制了AOB和CMX的生长，但对AOA影响较小；NIs的施用导致了AOPs群落结构的显著变化，特别是Clade A和Clade B的土壤簇成为新的主导菌群；通过蛋白质预测和分子对接分析，揭示了AOA对NIs的高耐受性与其AMO结构的弱结合能力有关。这些结果不仅有助于理解NIs对土壤微生物群落的影响机制，也为优化氮肥管理提供了理论依据和实践指导。

在农业实践中，合理使用NIs可以有效减少氮素的损失，提高氮肥的利用效率。然而，由于不同微生物对NIs的响应存在差异，因此在实际应用中需要考虑土壤类型、微生物群落结构以及环境条件等因素。此外，NIs的施用频率和浓度也可能影响其效果，因此需要在不同条件下进行更细致的实验研究。未来的研究可以进一步探索NIs对不同微生物群落的长期影响，以及其在不同气候和土壤环境中的适用性。这将有助于为农业生产提供更加科学和有效的氮肥管理策略，实现农业的可持续发展。