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为明确水管理策略与金属污染对 N?O 排放及微生物过程互作的影响，研究人员通过微宇宙实验，探究不同水 regime（非淹水、淹水）下 Cd、Cu 单一及复合污染对水稻土 N?O 排放的作用。发现高浓度污染通过抑制 Nitrosospira、Ramlibacter 等关键微生物及相关过程减少 N?O 排放，为稻田温室气体减排提供依据。
在全球农业生态系统中，稻田既是重要的粮食产地，也是温室气体氧化亚氮（N?O）的主要排放源之一。重金属（如镉 Cd、铜 Cu）污染在稻田土壤中日益严重，这些污染物不仅通过食物链威胁人类健康，还可能通过改变土壤微生物群落和氮循环过程，间接影响 N?O 的产生与排放。然而，不同水管理策略（如淹水与非淹水）如何调控重金属污染下稻田土壤 N?O 排放的微生物机制，至今尚未完全明晰。为填补这一知识空白，来自中国江西泰和县相关研究机构的科研团队开展了深入研究，其成果发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上，为稻田生态系统的可持续管理提供了重要科学依据。
研究人员采用土壤微宇宙实验（一种在实验室模拟自然环境的实验体系），设置了两种水管理条件（非淹水：土壤含水量维持在 60% 持水量；淹水：水位高于土壤表面 2 cm）和六种金属处理（包括低、高浓度的 Cd、Cu 单一污染及复合污染），通过 56 天的培养，结合宏基因组测序、功能基因分析及气体通量测定等技术，系统解析了重金属与水管理对 N?O 排放及其微生物驱动机制的影响。
3.1 土壤性质与金属含量
研究发现，淹水条件下 Cd、Cu 的生物有效性低于非淹水条件，这可能与金属 - 有机复合物形成及氧化还原电位降低有关。单一 Cu 污染及 Cd-Cu 复合污染显著降低土壤 pH，而 Cd 对 pH 影响较小。此外，Cu 污染抑制了土壤中铵态氮（NH??-N）向硝态氮（NO??-N）的转化，表明其对硝化作用的抑制效应，且这种效应随 Cu 浓度升高而增强。
3.2 土壤 N?O 排放
非淹水条件下，Cd 抑制 N?O 排放，而高浓度 Cu（HCu）则促进排放，两者表现出拮抗效应；淹水条件下，Cd 和 Cu 均显著抑制 N?O 排放，且复合污染表现出协同抑制作用。淹水条件下 N?O 排放的减少幅度更大，可能与更多氮循环过程被抑制有关。
3.3 土壤氮循环功能基因
宏基因组分析显示，高浓度 Cu 及复合污染显著降低硝化基因（如 amoABC）、反硝化基因（如 narGHI、norB）和异化硝酸盐还原成铵（DNRA）基因（如 nrfAH）的丰度。非淹水条件下，HCu 促进部分反硝化基因表达，而淹水条件下则全面抑制相关功能基因，进一步解释了不同水 regime 下 N?O 排放的差异。
3.4 微生物群落结构
Proteobacteria（变形菌门）和 Actinobacteria（放线菌门）是主要优势类群。高浓度 Cu 及复合污染显著降低硝化菌属 Nitrosospira 和反硝化菌属 Ramlibacter 的丰度。Nitrosospira 的减少直接导致硝化作用受抑，而 Ramlibacter 的减少则在淹水条件下抑制了反硝化和 DNRA 过程。
3.5 宏基因组组装基因组（MAGs）分析
通过宏基因组 binning 技术，研究人员获得了 49 个高质量 MAGs，其中 Nitrosospira 相关菌株携带硝化基因（amoC），Ramlibacter 相关菌株含有反硝化、同化硝酸盐还原（ANRA）和 DNRA 相关基因，表明这两类微生物具有产 N?O 的遗传潜力。高浓度重金属污染下，这些关键菌株的丰度下降，直接导致 N?O 排放减少。
本研究揭示了水管理策略通过调控土壤氧化还原条件和微生物群落，改变重金属对氮循环过程的影响。非淹水条件下，Cd 和 Cu 对 N?O 排放的拮抗效应与硝化 - 反硝化过程的平衡有关；淹水条件下，复合污染通过协同抑制硝化、反硝化和 DNRA 过程，更显著地减少 N?O 排放。关键微生物 Nitrosospira 和 Ramlibacter 的功能分化及其对重金属的敏感性，是驱动不同水 regime 下 N?O 排放差异的核心机制。
该研究为重金属污染稻田的水管理优化提供了科学依据，例如通过合理调控水分（如采用淹水管理）可抑制关键产 N?O 微生物的活性，从而减少温室气体排放。未来研究可进一步结合微生物代谢组学和田间长期定位实验，深化对重金属 - 水管理 - 微生物互作机制的理解，为农业绿色可持续发展提供更精准的技术支持。
