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《南京农业大学》 2000年
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淹水土壤中硝态氮异化还原成铵过程的研究

殷士学  
【摘要】: 淹水土壤中硝酸还原过程主要由两类微生物参与。一类是反硝化细菌, 其特点是电子(NADH)通过呼吸链传递给氮氧化物,将氮氧化物逐步还原, 主导产物为N_2/N_2O,还原过程伴有呼吸磷酸化产能。另一类是硝酸异化还 原成铵(DNRA)。这类细菌一般都是发酵性细菌,包括专性和兼性厌氧菌, 还原产物以NH_4~+为主,还原过程一般来说在NO_3~-→NO_2~-伴有电子传递磷 酸化,但在以后的还原过程中没有电子传递磷酸化。有些DNRA细菌不能 还原NO_3~-,但能利用由别的细菌还原成的NO_2~-作为电子受体并将其还原成 NH_4~+。土壤中硝酸主要受异化还原过程支配,化学还原和同化还原不大可能 占优势。 过去广为流行的概念是淹水土壤中硝态氮基本上全部经反硝化损失掉, 但70年代以后的一些研究表明,DNRA过程可以发生在土壤、沉积物和消 化污泥中,对一直流行的概念提出了挑战。淹水土壤中DNRA是一个值得 关注的问题。淹水通常使土壤处于厌氧状态,从而为反硝化和DNRA提供 了外在条件。但是反硝化是导致土壤氮素损失的过程,是农业方面不希望有 的,而DNRA则把NO_3~-还原成铵,是保存氮素的过程,是农业上所希望的。 NO_3~-是反硝化和DNRA的共同基质,如果能够增强DNRA过程,就有可能 削弱反硝化过程,从而达到减少N素损失的目的。此外,反硝化和DNRA 都能产出N_2O(Smith and Zimmerman,1981),这使DNRA同时成为环境学 家关注的问题。 本文研究土壤中DNRA过程,目的是明确土壤中DNRA过程的程度、 DNRA过程所需要的条件、DNRA与反硝化之间的关系、土壤中DNRA细 菌的特点以及土壤中主导DNRA细菌区系。本文对江苏黄海海洋沉积物和 太湖低泥中DNRA和反硝化过程也进行了初步研究。 在培养条件下,DNRA过程在大约占硝酸还原量的1~5%,但在有些土 壤中(如本文涉及的一种澳大利亚植稻土壤)发生的程度较大,在不加任何 C源的情况下有12.5%的硝酸被还原成铵,2.0%被还原成有机-N。这些土壤 中含有足够的铵来抑制硝酸同化过程,因此形成的铵由DNRA过程而来。 虽然所研究的4种土壤中只有一中有较强的DNRA过程,但可以说明至少 在某些土壤中DNRA过程是值得重视的。土壤中DNRA细菌数量一般不是 DNKA过程的限制因素,C源多少以及C源的性质可能是限制因子,发酵 性 C源且 C/NO;-N比大于 12更有利于 DNRA的发生。所研究的两种上壤 中 DNRA细菌主要是 Bacillus Sp。 DN’RA趋于发生在还原程度较为强烈的环境中。不管加不加葡萄糖,‘炯 标记的NH。”和有机N都随Eh的降低而升高。在不加葡萄糖的情况下,l 号土有 4.71-5.38%的”NO。“被还原成‘’NH厂+有机-‘N,以‘SN’’H/为主, 而4号土则高达14.43-39.sl%。4号土有如此之多的”NO。”被还原成(NH/+ 有机 N),可能与其管理措施有关。Eh从对照降到一100 mV左右 DNRA并 没有增强很多,但从一100 mV降至.340 mV时铰和有机-N形成量明显增 多。 添加葡萄糖处理与上述趋势相同,但有更多的标记N转变成有机N。 有机N的形成可能由NO。”直接同化而来,也可能先还原成铰然后再固持 (arnmoniurnimmobilization)。前者的可能性极小,因为加入 100mpNkg *一 标记硫铰足以抑制硝酸同化。 土壤的田间 Eh一般不会低到 -340 mV,所以推测田间 DNKA过程一 般不会特别强烈。 土壤Eh影响DNRA的机理可能包括O。分压对硝酸还原过程的调控作 用,也可能有DNRA细菌区系变化所起的作用。在低Eh条件下专性厌氧菌 可能发挥更大的作用。 pH对土壤 DNRA和对反硝化过程有相似的影响。DNRA过程在 pH 5叱 之间都有不同程度的发生。调整原本中性上壤的pH对DNRA过程影响较小, 调低原本碱性土壤pH对DN’RA影响较大。 从土壤中分离得到DNRA细菌,对其中一株进行纯培养研究。在无镣 培养基中培养该菌,当细菌仍处于处干对数生长期时,有20%以上NO。”以 +H4”的形态积累于培养基中,所积累的NH”显然是超出细胞生长所需要 的,加上细胞在对数生长期死亡和细胞-N的再矿化的可能性很小,所以积 累的 NH4”应该是 DNRA过程而不是硝酸同化还原的产物。 在C源不足的情况下,该菌将NO。”只还原为NO。”。在含有5 mrnol”’ 葡萄糖、10 mml。”‘NO。“的培养基中,整个培养期间 NO。’和 NO。”都没有 完全消失,到结柬时两者之和大约是原有 NO。丫0%,与此同时几乎没有 NH4“ 114 的积累。混浊度所指示的细胞生长量很小。将葡萄糖换成甘油,不管C:NO。” -N比例是多少,NO。‘也只能被还原成NO。、这些数据说明该菌还原NO。’成 Nfu”需要充足且合适的C源。 将培养基中的N源改成”NH4NO*培养到6小时时’w丰度由10%降 为8.56%,此时细胞-‘SN的丰度已由起始的自然丰度猛增至6.61%,说明细 胞生长初期主要利用’N4“合成细胞物质,但owM过程在培养一
【学位授予单位】:南京农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2000
【分类号】:S154.3;S153.61

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