Les contributions des bactéries oxydantes de l'ammoniac et des archées à la nitrification

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 19928 (2022) Citer cet article

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La nitrification est considérée comme l'un des principaux processus d'émission de N2O dans le système agroécologique, qui est contrôlé par les microbes du sol et principalement régulé par le pH du sol, la teneur en oxygène et la disponibilité de NH4+. Des études antérieures ont prouvé que les contributions relatives des bactéries oxydantes de l'ammoniac (AOB) et des archées (AOA) à la production de N2O variaient avec le pH du sol, cependant, il n'y a toujours pas de consensus sur le mécanisme de régulation de la production de N2O dérivé de la nitrification par le pH du sol. Dans cette étude, le 1-octyne (un inhibiteur sélectif de l'AOB) et l'acétylène (un inhibiteur de l'AOB et de l'AOA) ont été utilisés dans une expérience d'incubation en microcosme pour différencier la contribution relative de l'AOA et de l'AOB aux émissions de N2O dans un sol neutre (pH = 6,75) et alcalin (pH = 8,35). Nous avons constaté que l'amendement de l'ammonium (NH4 +) stimulait de manière observable la production de N2O lié à l'AOA et à l'AOB et augmentait l'abondance des gènes de l'ammoniac monooxygénase (AMO) de l'AOA et de l'AOB dans les deux sols testés. Parmi lesquels, l'AOB a dominé le processus d'oxydation de l'ammoniac dans le sol alcalin, contribuant à 70,8 % de la production de N2O dérivée de la nitrification. En revanche, la contribution de l'AOA et de l'AOB représentait respectivement environ un tiers du N2O lié à la nitrification dans les sols acides. Les résultats ont indiqué que le pH était un facteur clé pour modifier l'abondance et l'activité de l'AOA et de l'AOB, ce qui a conduit à la différenciation de la dérivation de la production de N2O dans les sols violets. Nous supposons que la teneur en NH4+ et le pH du sol interviennent ensemble dans la spécialisation des micro-organismes oxydant l'ammoniac ; et les résultats de la spécialisation et le rendement en N2O ont conduit aux différentes caractéristiques d'émission de N2O dans les sols violets. Ces résultats peuvent aider à éclairer le développement de stratégies de réduction du N2O à l'avenir.

Le N2O est un gaz à effet de serre trace avec 265 fois le potentiel de réchauffement du CO2 (sur une échelle de 100 ans) dans l'atmosphère et agit pour appauvrir l'ozone stratosphérique1. La concentration globale de N2O dans l'atmosphère était de 328,8 ppb en 2015 avec une augmentation de 21% depuis la révolution industrielle2. Les émissions soutenues au rythme actuel entraîneront une augmentation supplémentaire de 18 % jusqu'en 2030 par rapport aux projections actuelles3. Le sol agricole fertilisé est un point chaud pour les émissions substantielles de N2O dans l'atmosphère, représentant environ 60 % des émissions atmosphériques mondiales de N2O4. Cependant, l'augmentation de la demande de nourriture, d'élevage et d'énergie de la biomasse accompagnera inévitablement l'application continue d'engrais chimiques. Par conséquent, il est particulièrement important de comprendre le mécanisme responsable de la production de N2O à partir d'un sol fertilisé afin de trouver des mesures optimales de régulation des émissions de N2O pour une agriculture durable.

Dans les agro-écosystèmes, le N2O est produit par la nitrification et la dénitrification induites par les micro-organismes du sol5,6, et certains processus abiotiques y contribuent également pour une petite partie7. La nitrification est l'un des principaux processus de production de N2O avec une teneur en oxygène du sol appropriée. L'oxydation de l'ammoniac (c'est-à-dire que le NH3 est oxydé en NO2−, via le produit intermédiaire NH2OH) est considérée comme l'étape principale et limitante de la nitrification. Les archées oxydant l'ammoniac (AOA) et les bactéries oxydant l'ammoniac (AOB) ont le potentiel génétique d'oxydation de l'ammoniac qui provoque la production de N2O8,9. L'AOB pourrait produire du N2O qui agit comme intermédiaire par l'oxydation incomplète de NH2OH en NO10, ou en régulant la dénitrification nitrifiante de la réduction NO2− en NO et N2O11. En revanche, le N2O produit par l'AOA est attribué à de multiples processus classiquement détectés dans les cultures pures et d'enrichissement, mais il n'y avait aucune preuve claire à ce jour pour soutenir la production de N2O par la réaction catalytique enzymatique de l'AOA dans les sols12. De plus, les oxydants complets d'ammoniac récemment découverts et largement répandus (comammox) qui agissent comme l'une des guildes fonctionnelles oxydant l'ammoniac constituent une incertitude quant à leur influence sur les émissions de N2O, bien que certaines études suggèrent qu'il joue un rôle mineur par rapport à l'AOB13,14.

Les inhibiteurs de nitrification ont été largement appliqués dans les sols agricoles pour réduire la transformation de NH4+-N en NO3–N, améliorant ainsi l'efficacité de l'utilisation de N15. L'une des principales enzymes fonctionnelles des oxydants d'ammoniac AOA et AOB est l'ammoniac monooxygénase (AMO) qui catalyse directement le processus de synthèse de N2O. L'acétylène (C2H2) est un inhibiteur de nitrification non sélectif pour l'AMO, inhibant ainsi l'oxydation de l'ammoniac de l'AOA et de l'AOB à faible concentration (0,1 à 10 Pa)16,17. Pendant ce temps, le 1-octyne est un inhibiteur sélectif qui peut inhiber l'activité AOB mais pas l'AOA dans les sols, et il peut être utilisé pour distinguer la contribution relative de l'AOB et de l'AOA à la nitrification18,19,20,21.

Des études substantielles ont montré que de nombreux facteurs, y compris les types de sol et les facteurs environnementaux, déterminent l'abondance, les activités et la contribution relative à l'émission de N2O d'AOA et d'AOB, en particulier le pH du sol et l'apport d'azote inorganique (N)22,23,24. Par exemple, l'abondance et l'activité de l'AOB ont augmenté dans les sols riches en concentration d'ammonium, alors que l'AOA n'agit pas comme affectée ou inhibée16,18. Dans les sols non fertilisés ou acides, l'abondance et l'activité de l'AOA sont beaucoup plus élevées que celles de l'AOB25,26. Wang et al.21 ont rapporté que les émissions de N2O induites par les engrais azotés sont attribuées à 70,5 ~ 78,1 % par AOB et à 18,7 ~ 19,7 % par AOA en utilisant la méthode des inhibiteurs à la fois dans les sols arables acides (pH = 6) et alcalins (pH = 8) de Chine. De même, en utilisant la méthode des inhibiteurs, Yang et al.27 ont découvert que l'AOB était le principal acteur microbien dans les sols alcalins, contribuant à environ 85 % du N2O lié à la nitrification, tandis que 78 % du N2O lié à la nitrification étaient apportés par l'AOA dans les sols acides. En outre, la contribution relative de l'AOB et de l'AOA aux émissions de N2O était également réglementée par le type et la quantité de synthétique appliqué. Cependant, Fu et al.28 ont illustré que la contribution relative de l'AOB aux émissions de N2O dans le traitement de l'absence d'application de N était plus importante que le traitement de l'ajout d'ammonium-N dans les sols acides (pH = 5,5) et alcalins (pH = 7,9) et le traitement de l'ajout d'urée-N dans les sols alcalins.

De nombreuses études ont étudié la contribution relative et les facteurs d'influence de l'AOA et de l'AOB à l'émission de N2O, mais aucun consensus n'existe concernant les mécanismes d'explication des diversités en raison du mécanisme complexe de changement d'abondance et des rendements en N2O de l'AOA et de l'AOB accompagnés d'une hétérogénéité spatiale et temporelle des conditions environnementales et des propriétés du sol. En raison de la source considérable d'émissions de N2O causées par l'épandage d'engrais azotés lourds sur les terres agricoles en sol violet dans la zone montagneuse du bassin versant du fleuve Yangtze supérieur29,30, il est impératif de proposer des mesures spécifiques pour atténuer les émissions de N2O afin d'atteindre l'objectif stratégique de "réduction du carbone" dans cette région. Par conséquent, nous avons mené une expérience d'incubation en microcosme avec deux sols violets contrastés, en utilisant un nouvel inhibiteur 1-octyne et une méthode de biologie moléculaire pour évaluer les facteurs affectant les productions de N2O, le rendement et l'abondance des gènes associés à l'AOA et à l'AOB dans différents sols. L'objectif est d'acquérir une compréhension plus approfondie du mécanisme du processus d'oxydation de l'ammoniac et de promouvoir le développement de technologies à faibles émissions dans l'agriculture.

En septembre 2020, deux échantillons de sol de surface d'essai ont été prélevés sur des parcelles expérimentales de fertilisation à long terme (5 m × 1,5 m, parcelles en triple de chaque sol d'essai) à la station agro-écologique de Yanting de Purple Soil, Académie chinoise des sciences (N 31 ° 16 ′, E 105 ° 28 ′), situé dans le bassin central du Sichuan, dans la partie supérieure du fleuve Yangtze, en Chine. La température moyenne était de 17,3 °C et les précipitations moyennes annuelles étaient de 863 mm dont environ 70 % se produisent de mai à septembre à ce site. Le système de culture y est la rotation maïs d'été-blé d'hiver et N–P2O5–K2O a été appliqué à 150–90–36 kg ha−1 pour le maïs et 130–90–36 kg ha−1 pour le blé, respectivement.

Deux sols d'essai comprenant un neutre (pH = 6,75 et nommé SX ci-dessous) et un alcalin (pH = 8,35 et nommé PL ci-dessous) ont été formulés à partir du substrat rocheux parental similaire de grès violacé avec un degré d'altération différent et il y a moins de 50 ans depuis la formation des sols31,32. Ce sont les types de sols prédominants dans les zones vallonnées du bassin versant du haut Yangtze, où se trouvait une importante zone de production céréalière dans le sud-ouest de la Chine et alimentait plus de 10% de la population chinoise.

Deux sols de surface d'essai (0–15 cm) ont été prélevés à l'aide d'une tarière et des carottes en triple, qui se trouvaient le long de la ligne médiane longitudinale des parcelles avec un intervalle de deux mètres, ont été regroupées et homogénéisées pour chaque parcelle. Tous les sols ont été tamisés à travers un tamis de 2 mm après avoir retiré les racines des plantes et les débris, puis divisés en deux parties. Une partie a été utilisée pour mesurer la teneur en eau du sol et les propriétés physiques et chimiques de base, la partie restante du sol a été stockée à 4 ° C jusqu'à l'expérience d'incubation. Certaines propriétés physiques et chimiques de base des deux sols sont présentées dans le tableau 1.

Pour distinguer la contribution relative des différents processus d'oxydation de l'ammoniac à l'émission de N2O, nous avons utilisé l'acétylène et le 1-octyne comme inhibiteurs sélectifs pour bloquer l'interaction des oxydants de l'ammoniac (c'est-à-dire AOB et AOA). Les expériences d'incubation ont été réalisées dans des flacons de sérum de 250 ml avec un bouchon en caoutchouc butyle contenant 18 g de sols (poids sec). Les sols frais ont été pré-incubés à 25 ° C pendant 7 jours pour stabiliser les activités microbiennes du sol dans des flacons de sérum de 250 ml. Après la pré-incubation, le sol a été ajusté à 60 % de WFPS après modification avec de l'eau stérilisée uniquement (témoin, sans ajout de N) ou une solution d'azote inorganique (100 mg NH4Cl-N ou KNO3-N g-1 soldw). Ensuite, les bouteilles ont été recouvertes de couvercles et une partie de l'air pompé a été remplacée par des inhibiteurs d'oxydant ammoniac préparés à l'avance, de l'acétylène (Ace, 0,01 %, v/v) ou du 1-octyne (Oct, 5 μM aqueux, d'après Taylor et al.20). Au total, neuf traitements avec trois répétitions ont été réalisés comme suit :

Sans N (pas de N et pas d'inhibiteurs)

N-free + Ace (pas de N et 0,01% d'acétylène)

N-free + Oct (pas de N et 5 μM 1-octyne)

NH4+ (100 mg g−1 NH4Cl-N et aucun inhibiteur)

NH4+ + Ace (100 mg g−1 NH4Cl-N et 0,01 % d'acétylène)

NH4+ + Oct (100 mg g−1 NH4Cl-N et 5 μM 1-octyne)

NO3− (100 mg g−1 KNO3-N et aucun inhibiteur)

NO3− + Ace (100 mg g−1 KNO3-N et 0,01 % d'acétylène)

NO3− + Oct (100 mg g−1 KNO3-N et 5 μM 1-octyne)

Tous les traitements effectués à 25 °C pendant 21 jours. Pendant cette période, les conditions oxiques ont été maintenues en aérant tous les 2 jours et en rétablissant l'environnement d'inhibition par addition d'acétylène (0,01 % v/v) et de 1-octyne (5 μM aqueux). L'émission de N2O des sols sans inhibiteurs a été contribuée par la nitrification (y compris les contributions de l'AOB et de l'AOA), la dénitrification et les processus abiotiques. L'acétylène pourrait inhiber l'oxydation de l'ammoniac à la fois de l'AOA et de l'AOB, de sorte que l'émission de N2O de l'AOA plus l'AOB a été calculée en soustrayant l'émission de N2O dans le traitement « NH4+ + Ace » (« NO3− + Ace » ou « Ace ») des valeurs mesurées dans le traitement « NH4+ » (« NO3− » ou « sans N »). Étant donné que le 1-octyne inhibe spécifiquement la croissance de l'AOB uniquement, l'émission de N2O de l'AOA a été calculée en soustrayant l'émission de N2O dans le traitement "NH4+ + Ace" ("NO3− + Ace" ou "Ace") des valeurs mesurées dans le traitement "NH4+ + Oct" ("NO3− + Oct" ou "Oct"). L'émission de N2O de l'AOB a été calculée en soustrayant l'AOA des valeurs de l'AOA plus l'AOB.

Les échantillons de gaz de l'espace de tête de 20 ml ont été prélevés à 0, 1, 2, 3, 5, 7, 11, 14, 18 et 21 jours à l'aide d'une seringue (avec une triple valve) pendant toute l'incubation et le concentré d'émission de N2O a été déterminé avec un chromatographe en phase gazeuse équipé d'un détecteur de capture d'électrons 63Ni pour les concentrations de N2O (Agilent 7890B, USA). La mesure de gaz a été calibrée à l'aide d'une concentration connue de gaz mixte (440 ppb N2O dans un gaz standard mixte). Les sols incubés ont été échantillonnés de manière destructive à 0, 7, 14 et 21 jours. Les échantillons de sol ont été divisés en deux parties, une partie stockée à 4 °C pour mesurer la teneur du sol en NH4+-N et NO3−-N ; et une autre partie a été conservée à - 80 ° C pour l'extraction de l'ADN. Le contenu du sol en NH4+-N et NO3–N a été extrait par une solution de KCl 2 M (sol : solution = 1:5 p/v), puis a été filtré à travers une membrane filtrante de 0,45 m après agitation pendant 1 h. Les extraits ont été analysés par un analyseur à flux continu (Auto Analyzer 3, SEAL Analytical, Allemagne).

Les échantillons de sol prélevés avant incubation et après 21 jours d'incubation ont été utilisés pour extraire l'ADN car les flux d'émission de N2O se sont stabilisés après 21 jours d'incubation. Selon les instructions du fabricant, 0,5 g de sol humide ont été utilisés pour extraire l'ADN à l'aide du kit DNeasy PowerSoil DNA Isolation (QIAGEN, Allemagne). La longueur de l'ADN extrait a été vérifiée par électrophorèse sur gel d'agarose à 1% et la concentration et la qualification ont été mesurées par le spectrophotomètre NanoDrop ND-1000 (Nano Drop Technologies, Wilmington, DE, USA). Et le rapport de A260/280 et A260/230 était de l'ordre de 1,5-1,9 et 0,7-1,0, respectivement. Les concentrations d'ADN purifié variaient de 10,8 à 36,8 ng/μL. Les échantillons d'ADN du sol ont été stockés à - 80 ° C pour la PCR quantitative des analyses des gènes amoA.

Les gènes AOB et AOA amoA de tous les traitements avec trois réplicats biologiques ont été amplifiés et quantifiés à l'aide de la PCR de fluorescence quantitative en temps réel ABI 9700 (Applied Biosystem, Amérique); La séquence des amorces amplifiées AOB amoA était amoA-1F (5'-GGGGTTTCTACTGGTGGT-3')/amoA-2R (5'-CCCCTCKGSAAGCCTTCTTC-3')33 tandis que ArchamoAF (5'-TAATGGTCTGGCTTAGACG-3')/ArchamoAR (5'-GCGGCCATCCATCTGTATGT-3')34 ont été utilisés pour amplifier et quantifier l'AOA gène amoA. Chaque système de réaction de 20 μl contenait 10 μl de GoTaq qPCR Master Mix (SYBR Premix Ex TaqTM), 0,5 μl de chaque amorce (10 mM), 2 μl de matrice d'ADN diluée dix fois et 7 μl d'eau pure stérilisée. Les conditions de réaction amplifiées de l'AOB et de l'AOA étaient les suivantes : dénaturation initiale à 95 °C pendant 3 min, 40 cycles de dénaturation à 95 °C pendant 30 s, recuit à 55 °C pendant 34 s et extension à 72 °C pendant 32 s, et extension à 72 °C pendant 5 min pour la collecte de données. Les courbes standard qui ont été utilisées pour quantifier l'abondance des gènes AOA et AOB amoA ont été obtenues par dilution en série de dix fois de l'ADN plasmidique AOA et AOB avec une concentration connue (cinq points forment 10–3 ~ 10–7 dans cette étude). Les analyses de la courbe de fusion qui ont été utilisées pour vérifier la spécificité des produits d'amplification ont montré que les efficacités d'amplification de l'AOB et de l'AOA amoA variaient de 92 à 98 %, ainsi que le coefficient de corrélation (R2) des courbes standard était de 0,994 et 0,998 pour les gènes AOB et AOA amoA, respectivement.

Les flux de N2O ont été calculés à l'aide de l'Eq. (1):

où F (ng N g−1 d−1) est le taux d'émission de N2O ; T0 (237 K) est la température à l'état atmosphérique standard ; T (°C) est la température de l'air à l'intérieur des flacons de sérum ; V (L) est le volume de l'espace de tête ; V0 (22,41 × 10–3 m3) est le volume molaire à l'état atmosphérique standard ; M (28 g mol-1) est le poids moléculaire de N dans N2O moléculaire ; m (18 g) est le poids de sol séché au four dans les flacons de sérum ; dc/dt est le changement de concentration de N2O (c) par intervalle unitaire (t); 24 est le nombre d'heures dans une journée et K est le coefficient de conversion dimensionnelle.

Les contributions relatives de l'AOA et de l'AOB aux émissions de N2O induites par la nitrification ont été calculées à l'aide des équations. (2) ~ (4):

où "l'émission totale de N2O" était la production cumulée de N2O du traitement sans ajout d'inhibiteurs après 21 jours d'incubation ; "L'émission de N2O par les autres" était la production cumulée de N2O d'autres processus après 21 jours d'incubation.

Le rendement en N2O pour AOA, AOB et autres a été calculé à l'aide de l'équation. (5):

où x est AOA, AOB et autres, « émission de N2O(x) » et « NO3−produit » sont le N2O et le nitrate cumulés sur l'ensemble des 21 jours d'incubation, l'unité « émission de N2O(x) » et « NO3–N produit » est le mg N kg−1.

L'analyse statistique a été réalisée à l'aide du logiciel SPSS 24.0 (SPSS Inc., USA) et les données de cette étude ont été exprimées en moyenne ± erreur standard. Les différences entre les différents traitements ont été testées par ANOVA après le test à plages multiples de Tukey par la différence la moins significative au niveau de 5 %. Un test t pour échantillons indépendants a été réalisé pour l'analyse statistique du rendement en N2O entre deux sols. La corrélation de Pearson entre les émissions cumulées de N2O et les copies du gène AOB ou AOA amoA a été calculée. Les chiffres ont été réalisés à l'aide du logiciel Origin 9.4 (Origin Lab Corporation, Northampton, USA).

La concentration en NH4+-N échangeable du traitement « NH4+ » a diminué rapidement d'une valeur de 104 mg/kg à une valeur de 41 mg/kg et de 107 mg/kg à 31 mg/kg dans les sols SX et PL à la première semaine, respectivement. Et le taux de diminution est devenu lent au cours des deux semaines suivantes (Fig. 1a2, b2). Contrairement au traitement "NH4+", le 1-octyne a inhibé efficacement la diminution de la concentration de NH4+–N échangeable, ce qui a montré un taux de diminution plus lent dans les deux sols. Comme pour les traitements "NH4+ + Ace", la conversion de NH4+ a été complètement inhibée, et aucune tendance évidente à la baisse n'a été détectée. Les traitements sans addition de NH4+ ont maintenu un faible niveau de concentration de NH4+-N échangeable tout au long de l'incubation, et il n'y avait pas de différence significative entre ces traitements, que des inhibiteurs aient été appliqués ou non (P > 0,05 ; Fig. 1a1, a3, b1, b3).

Les concentrations de NO3–N échangeable ont augmenté en conséquence par la diminution des concentrations de NH4+-N échangeable dans les traitements « NH4+ » (Fig. 1c2, d2). Comme prévu, le 1-octyne présent a partiellement inhibé la formation de NO3–N échangeable dans les traitements « NH4+ + Oct » et l'acétylène a presque complètement inhibé la transformation de NH4+-N en NO3–N dans les traitements « NH4+ + Ace » dans les deux sols. Quant aux traitements sans ajout de NH4+, il n'y a pas de différence évidente que les inhibiteurs soient appliqués ou non (P > 0,05 ; Fig. 1c1, c3, d1, d3).

Les tendances de changement des flux de N2O variaient selon le type de sol. Les traitements avec addition de NH4+ seul montrent un pic de N2O distinct (7 et 33 ng N g−1d−1 pour le sol expérimental SX et PL, respectivement) au premier jour d'incubation, et diminuent rapidement les jours suivants (Fig. 2a2, b2). L'ajout d'acétylène a un effet significatif sur la diminution de la production de N2O dans le traitement "NH4+ + Ace" des deux sols tout au long de l'incubation, ce qui indique que l'AOA plus l'AOB contribuent à plus d'émissions de N2O que les processus abiotiques et de dénitrification dans des conditions expérimentales aérobies et à 60 % de WFPS. Par rapport à l'addition d'acétylène, le 1-octyne a une inhibition similaire mais plus légère des émissions de N2O dans le "NH4 + + Oct" des deux sols, montrant que différents inhibiteurs de nitrification ont eu les effets inhibiteurs sélectifs dans la réduction des émissions de N2O comme prévu (Fig. 2a2, b2). À l'exception des traitements par addition de NH4+, les résultats révèlent également que les traitements avec ou sans NO3–N ne montrent aucune différence significative dans les émissions de N2O quels que soient les inhibiteurs présents ou non pendant la période d'incubation de 21 jours (P > 0,05). Et il n'y a pas de pics d'émission dans ces traitements sans ajout de NH4+ et les flux montrent une fluctuation périodique jusqu'à la fin de l'incubation (Fig. 2a1, a3, b1, b3).

Les émissions accumulées de N2O variaient selon le type de sol, les types d'engrais azotés et d'inhibiteurs (Fig. 2c1 ~ c3, d1 ~ d3). Dans les traitements "NH4+", les émissions accumulées de N2O, nettement supérieures aux traitements de repos, ont atteint 14 et 45 μg N kg -1 de sol sec pour le sol des expériences SX et PL à la fin de l'incubation, respectivement (P < 0, 05; Tableau S1). Lorsque l'ajout de NH4+ a été utilisé avec le 1-octyne, les émissions accumulées de N2O ont été considérablement réduites de 24,1 % et 72,0 % pour le sol des expériences SX et PL, respectivement, et l'inhibition plus intense par l'ajout d'acétylène a été réduite de 80,3 % et 92,4 % par rapport aux traitements "NH4+". Quant aux traitements avec ajout de NO3− et sans apport d'engrais azoté, avec ou sans inhibiteur, il n'y a pas de différence significative pour les deux sols testés en fin d'incubation (P > 0,05 ; Tableau S1).

Le rendement en N2O (%) a été défini comme le taux de production de N2O par unité de teneur en nitrate dans le sol sur l'ensemble des 21 jours d'incubation, calculé par l'Eq. (5). Les résultats ont montré que le rendement en N2O dans différents processus d'oxydation de l'ammoniac changeait avec le type de sol sous condition d'ajout de NH4+ (Fig. 3). Le rendement en N2O de l'AOB dans le sol PL était de 0,22 %, ce qui était significativement supérieur à celui de SX (0,03 %) (P <0,01), et des différences significatives similaires ont été trouvées dans les rendements en N2O induits par l'AOA (P <0,05). Cependant, pour d'autres processus (induits abiotiques ou induits par la dénitrification), le rendement en N2O du sol SX était significativement plus élevé que celui du sol PL (P < 0,05). Dans les mêmes conditions de sol avec addition de NH4+, le rendement en N2O a changé avec différents processus d'induction : dans les sols PL, le rendement en N2O induit par l'AOB était significativement supérieur à celui induit par l'AOA et les autres processus (P < 0,01) ; Mais dans les sols SX, le rendement en N2O induit par d'autres processus était significativement plus élevé que celui induit par AOA et AOB (P < 0,01).

La contribution relative de l'AOA et de l'AOB à la production de N2O variait considérablement selon les types de sol avec amendement NH4+ dans les deux sols (Fig. 4). Les fractions de production accumulée de N2O sensibles à l'octyne (AOB) étaient beaucoup plus élevées que celles résistantes à l'octyne (AOA) dans les sols PL. Et pour le sol SX, la fraction de production AOB était légèrement supérieure à l'AOA et aux autres. Dans les détails, les fractions d'émission de N2O étaient de 36,1 %, 33,2 % et 30,7 % pour AOB, AOA et autres processus dans le sol SX, respectivement. Les contributions des AOB, AOA et autres pertinents sont respectivement de 70,8 %, 21,4 % et 8,9 % dans le sol PL.

Au début de l'incubation, l'abondance des gènes AOB amoA était de 1, 65 × 105 et 1, 62 × 106 copies g −1 sol sec dans le sol SX et PL, respectivement (Fig. 5a, b) et différents traitements ont la même abondance au début de l'incubation. L'amendement NH4 + a stimulé de manière significative l'augmentation des gènes AOB amoA, atteignant respectivement 3, 38 × 105 et 3, 58 × 106 copies g −1 dans les sols SX et PL au jour 21 d'incubation ( P <0, 01; Fig. 5a, b). Il n'y a pas de différence évidente dans l'abondance des gènes AOB amoA parmi les autres traitements tout au long de l'incubation, quel que soit l'engrais azoté et les inhibiteurs appliqués ou non dans les deux sols.

En ce qui concerne les gènes AOA amoA, l'abondance des gènes AOA amoA était de 1,23 × 107 copies g−1 et 8,35 × 106 copies g−1 sol sec dans les sols SX et PL au début de l'incubation, respectivement. Lors de l'amendement avec de l'ammoniac et du 1-octyne, l'abondance des gènes AOA amoA a augmenté de manière observable par rapport aux autres traitements dans les deux sols (P <0, 01; Fig. 5c, d). La présence de 1-octyne qui a été sélectionné comme inhibiteur de l'AOB n'a pas montré de suppression efficace de la croissance des gènes AOB amoA, au contraire, a agi comme un stimulant positif de l'abondance des gènes AOA amoA dans les deux sols testés. Les traitements à l'eau ou à l'amendement NO3, appliqués avec ou sans inhibiteurs, n'ont pas modifié significativement l'abondance des gènes AOA amoA pendant toute l'incubation (P > 0,05).

Les processus abiotiques et les processus biotiques, y compris la nitrification et la dénitrification, sont considérés comme des processus primaires qui produisent du N2O dans les sols arables d'après de nombreux rapports7,35,36. Il s'agit d'abord de distinguer la contribution relative de l'ammoniac oxydant et du rendement en N2O résultant de l'AOA et de l'AOB à différents pH du sol violet, au sud-ouest de la Chine, en utilisant du 1-octyne pour inhiber spécifiquement l'AOB. Dans cette étude, nous avons vérifié que les émissions de N2O des deux sols agricoles testés étaient entraînées par la nitrification et d'autres processus non négligeables sur la base des points suivants : (1) NH4+-N s'est rapidement transformé en NO3–N dans les traitements d'addition de NH4+-N et a entraîné une production de N2O beaucoup plus élevée que les traitements d'addition de NO3–N dans lesquels le NO3–N est resté stable pendant l'incubation (Fig. 1) ; (2) les deux sols d'essai ont été réalisés dans des conditions aérobies et à 60 % de WFPS qui sont une production optimale de N2O via l'oxydation de l'ammoniac selon des études précédentes6. Et les émissions de N2O des dénitrificateurs hétérotrophes étaient négligeables24 ; (3) Néanmoins, le N2O s'est accumulé lentement mais de manière non négligeable dans les microcosmes traités à l'acétylène lorsque l'oxydant NH3, y compris la croissance et l'activité de l'AOA et de l'AOB, a été inhibé, ce qui indique que l'émission de N2O induite par d'autres processus (nitrification hétérotrophe et processus abiotiques, etc.) a également une contribution attribuable, en particulier dans les sols neutres où d'autres processus contribuent à hauteur de 30,7 % à l'émission brute de N2O dans l'incubation (Tableau S1 et Fig. 4).

La dynamique de la teneur en NH4+-N (a1 ~ a3, b1 ~ b3) et de la teneur en NO3−–N (c1 ~ c3, d1 ~ d3) avec différents engrais azotés (sans N, ammonium-N, nitrate–N) en combinaison avec de l'air (pas d'inhibiteurs), de l'acétylène et du 1-octyne pendant l'incubation des sols SX et PL, les barres d'erreur représentent les erreurs standard de trois répétitions biologiques.

De nombreuses études ont confirmé que les émissions de N2O dans les sols arables étaient régulées par de multiples facteurs environnementaux tels que l'humidité du sol, le pH du sol et des facteurs de gestion, notamment l'application de N, le labour et d'autres traitements de gestion des sols37,38,39. Le pH du sol est un paramètre clé qui contrôle le changement d'abondance de l'AOA et de l'AOB qui influencent la production de N2O40. Dans notre étude, AOB a contribué à plus d'émissions de N2O accumulées que AOA dans un sol alcalin à la condition d'ajout de NH4 + -N, ce qui indique que AOB a dominé le processus de nitration dans un sol alcalin, alors qu'il n'y a pas de différence significative observée dans un sol neutre où AOA et AOB ont contribué près d'un tiers des émissions brutes de N2O (Fig. 4 et Tableau S1). Nous avons constaté que l'AOB jouait un rôle plus important que l'AOA dans l'oxydation de l'ammoniac dans un sol à pH élevé, confirmant les rapports précédents21,22,41,42. Une explication possible est que les sols avec un pH plus élevé accélèrent la vitesse de transformation de NH4+–N en NH3 disponible, ce qui a affecté la population et l'activité des oxydants d'ammoniac27, tandis que la croissance bactérienne aurait peut-être été entravée dans un sol à faible pH43.

De toute évidence, les sols testés avec NH4 + ont stimulé la production de N2O à la fois par AOA et AOB à des degrés divers par rapport au témoin (Fig. 2 et Tableau S1). Et ces résultats ont également été confirmés par l'abondance nettement accrue du gène amoA de l'AOA et de l'AOB à la fin de l'incubation (Fig. 5). À l'heure actuelle, la meilleure explication de la croissance et des activités différentes de l'AOA et de l'AOB dans les sols est une affinité significativement différente pour le NH344,45,46. Par exemple, les sols avec un concentré élevé de NH4+-N sont propices à la croissance d'AOB16,20, alors que l'activité de l'AOA qui est favorisée par un sol pauvre en NH4+–N peut être limitée ou non affectée dans cette condition de NH4+–N élevé 47,48. Dans notre étude, l'abondance de l'AOA amoA dans le contrôle de deux sols d'essai a augmenté mais pas de manière significative, ce qui indique que l'AOA pourrait croître en utilisant du N organique dans des sols à faible taux de fertilité en ammoniac22,49. De manière inattendue, nous avons constaté que l'AOA augmentait également dans cette condition où la concentration élevée de NH4 + -N et l'AOB étaient inhibées par le 1-octyne car l'augmentation significative de l'abondance de l'AOA amoA prouvait ce point qui était différent de plusieurs études précédentes (Fig. 5c, d) 21,28. Et ce résultat était conforme à un rapport récent selon lequel il y avait une compétition directe entre l'AOA et l'AOB pour le NH3 sous une concentration élevée de NH4 + -N lorsque l'AOB était inhibé par le 1-octyne, alors que la croissance de l'AOA se poursuivait et que la croissance de l'AOB cessait lorsque le NH4 + -N devenait indétectable24,50.

Les flux d'émission de N2O et les flux accumulés avec différents engrais azotés (sans N, ammonium-N, nitrate-N) en combinaison avec de l'air (sans inhibiteurs), de l'acétylène et du 1-octyne après 21 jours d'incubation dans le sol SX (a et c) et PL (b et d), les barres d'erreur représentent les erreurs standard de trois répétitions biologiques.

Lorsque le NH4+–N fourni comme engrais, l'AOB dominait le processus d'oxydation du NH3 et le rendement en N2O variait de 0,03 à 0,22 %, ce qui variait selon le type de sol (Fig. 3). Dans un sol neutre, le rendement en N2O induit par l'AOB (~ 0,03 %) se situait dans les valeurs de la plage (0,02 à 0,09 %) qui étaient dérivées des boues de sol avec une expérience modifiée au NH4+51. Alors que dans un sol alcalin, le rendement N2O plus élevé d'AOB (0,22%) est similaire aux résultats de la culture pure de la lignée Nitrosospira du sol52 qui prédomine dans les communautés AOB du sol53. En ce qui concerne l'AOA, lorsque l'ajout de NH4+–N, le rendement en N2O est de 0,02 % ~ 0,04 % dans les deux sols testés, et ces rendements sont similaires aux valeurs de 0,035 % rapportées précédemment par Hink et al.50 et légèrement inférieures à celles de l'AOA du sol cultivé (0,08 % ~ 0,23 %)12,54,55. Ces résultats suggèrent que l'AOB pourrait avoir un rendement en N2O plus élevé que l'AOA dans le processus de production de N2O dans les sols alcalins et neutres. Le rendement en N2O plus élevé pour l'AOB que pour l'AOA pourrait s'expliquer par la reconnaissance actuelle : il existait deux mécanismes enzymatiques pour la production de N2O dans l'AOB (c'est-à-dire la dénitrification par nitrification et l'oxydation incomplète du NH2OH), tandis que l'AOA semblait manquer d'une NO réductase connue qui était une enzyme clé pour réduire le NO en N2O56,57,58. Par conséquent, la production de N2O d'AOB était connue comme un processus biotique, alors que l'induction par AOA ressemblait davantage à une formation hybride biotique et abiotique59.

Le rendement en N2O associé à l'oxydation de l'ammoniac dans les traitements amendés en NH4+ ; Différentes lettres au-dessus des barres indiquent une différence significative et les mêmes lettres n'indiquent aucune différence significative et les barres d'erreur représentent les erreurs standard de trois répétitions biologiques.

De plus, la méthode d'ajout d'inhibiteur de nitrification a des limites sur l'efficacité pour distinguer l'émission relative de N2O de l'AOA et de l'AOB21. Le 1-octyne est un inhibiteur sélectif efficace de l'activité AOB et de l'abondance de l'amoA dans les sols d'essai, et nous avons constaté que l'AOB joue le rôle principal dans la production de N2O du sol dans les traitements d'addition de NH4 + -N, bien que l'abondance de l'amoA de l'AOA montre plusieurs fois l'AOB dans les deux sols (Figs. 4 et 5). L'acétylène a agi comme un inhibiteur non sélectif qui a été utilisé pour bloquer l'activité de l'oxydation de l'ammoniac biotique AOA et AOB, tandis que la production accumulée de N2O par d'autres processus (nitrification hétérotrophe et processus abiotiques, etc.) a contribué à une échelle remarquable à la production brute de N2O accumulée (Fig. 4). Des investigations supplémentaires telles que le marquage isotopique devraient être menées à l'avenir pour révéler le mécanisme sous-jacent d'autres processus conduisant au N2O.

Les contributions relatives à la production de N2O d'AOA et d'AOB à partir de deux sols avec des traitements d'amendement à l'ammoniac après 21 jours d'incubation. Les barres d'erreur représentent les erreurs standard de trois répétitions biologiques.

L'abondance des gènes AOB et AOA amoA à 0 et 21 jours d'incubation dans les sols SX (a et c) et PL (b et d) ; Différentes lettres au-dessus des barres indiquent une différence significative et les mêmes lettres n'indiquent aucune différence significative et les barres d'erreur représentent les erreurs standard de trois répétitions biologiques.

À l'heure actuelle, les inhibiteurs de nitrification60, les engrais à libération lente61,62,63, le moment approprié de l'application de l'engrais61,64 et le semis direct65,66 étaient considérés comme les principales stratégies pour accroître l'efficacité de l'utilisation des engrais et inhiber les émissions de N2O. Nos résultats ont évalué les conséquences de la spécialisation de l'oxydation de l'ammoniac accompagnée d'un rendement varié en N2O d'AOA et d'AOB qui fournissent une stratégie potentielle pour l'atténuation des émissions de N2O dans les sols violets dans les zones vallonnées du haut Yangtze, en Chine. La production cumulée de N2O et le rendement en N2O (en particulier dans AOB) augmentent de manière significative avec l'augmentation du pH des sols dans des conditions aérobies, ce qui indique qu'une réduction du pH pourrait être un moyen potentiel de réduire les émissions de N2O. De plus, l'application d'un inhibiteur modéré de nitrification pourrait à la fois atténuer les émissions de N2O et réduire le risque de lessivage des nitrates dans cette zone, et ce point de vue a été soutenu par une étude récente67. Dans l'ensemble, les mesures qui empêchent directement l'oxydation de l'ammoniac ou modifient la spécialisation entraînant indirectement la dominance accrue de l'oxydation du NH3 par l'AOA réduiront la production de N2O dans cette zone. Pendant ce temps, le rendement des cultures, la faisabilité et le coût des mesures doivent être pris en compte avec une diligence raisonnable environnementale qui découle de la réduction des émissions de N2O.

En conclusion, nous avons exploré la contribution relative des bactéries et des archées oxydant l'ammoniac à l'émission de N2O en utilisant un inhibiteur sélectionné d'AOB dans des sols violets avec différentes valeurs de pH. Les résultats ont démontré que l'oxydation de l'ammoniac était dominée par l'AOB plutôt que l'AOA dans des conditions d'humidité du sol et d'aérobie de 60 % WHC dans les sols neutres et alcalins. L'apport de NH4+-N augmentait significativement la production de N2O d'AOB, tandis que la production de N2O liée à l'AOA augmentait également lorsque l'activité d'AOB était inhibée dans cette condition. Le pH agit comme un facteur clé pour médier le changement d'abondance de l'AOA et de l'AOB, et la production de N2O variait avec différents sols de pH. Ces résultats peuvent aider à éclairer le développement de stratégies de réduction du N2O à l'avenir.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'informations supplémentaires.

GIEC. Changement climatique 2014 : rapport de synthèse. Contribution des groupes de travail I, II et III au cinquième rapport d'évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (eds. Pachauri, RK & Meyer, LA) (GIEC, Genève, Suisse, 2014).

Organisation météorologique mondiale. L'état des gaz à effet de serre dans l'atmosphère à l'aide d'observations mondiales jusqu'en 2015. http://www.wmo.int/pages/prog/arep/gaw/ghg/GHGbulletin.html (2016).

Reay, DS et al. Agriculture mondiale et émissions d'oxyde nitreux. Nat. Clim. Chang. 2, 410–416 (2012).

Article ADS CAS Google Scholar

Meinhardt, KA et al. Les bactéries oxydant l'ammoniac sont les principaux producteurs de N2O dans un sol agricole alcalin dominé par les archées oxydant l'ammoniac. Environ. Microbiol. 20, 2195-2206 (2018).

Article CAS PubMed Google Scholar

Smith, K. & Conen, FJ Impacts de la gestion des terres sur les flux de traces de gaz à effet de serre. Gestion de l'utilisation du sol. 20, 255-263 (2004).

Article Google Scholar

Bateman, EJ & Baggs, EM Contributions de la nitrification et de la dénitrification aux émissions de N2O des sols à différents espaces poreux remplis d'eau. Biol. Fertilité. Sols 41, 379–388 (2005).

Article CAS Google Scholar

Heil, J., Vereecken, H. & Brüggemann, N. Un examen des réactions chimiques des intermédiaires de nitrification et de leur rôle dans le cycle de l'azote et la formation de gaz traces d'azote dans le sol. EUR. J. Sol Sci. 67, 23–39 (2016).

Article CAS Google Scholar

Brochier-Armanet , C. , Boussau , B. , Gribaldo , S. & Forterre , P. Crenarchaeota mésophile : proposition d'un troisième phylum archéen, le Thaumarchaeota . Nat. Rév. Microbiol. 6, 245–252 (2008).

Article CAS PubMed Google Scholar

Prosser, JI & Nicol, GW Oxydants d'ammoniac archéens et bactériens dans le sol : la quête d'une spécialisation et d'une différenciation de niche. Tendances Microbiol. 20, 523-531 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Kozlowski, JA, Price, J. & Stein, LY Révision des voies de production de N2O dans la bactérie oxydant l'ammoniac Nitrosomonas europaea ATCC 19718. Appl. Environ. Microbiol. 80, 4930–4935 (2014).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wrage, N., Velthof, G., Van Beusichem, M. & Oenema, O. Rôle de la dénitrification nitrifiante dans la production d'oxyde nitreux. Sol Biol. Biochimie. 33, 1723–1732 (2001).

Article CAS Google Scholar

Stieglmeier, M. et al. Production d'oxyde nitreux aérobie par la formation d'hybrides Nnitrosants dans des archées oxydant l'ammoniac. L'ISME J. 8, 1135-1146 (2014).

Article CAS PubMed Google Scholar

Han, P. et al. Production de N2O et de NOy par la bactérie comammox Nitrospira inopinata en comparaison avec les oxydants canoniques d'ammoniac. Eau Rés. Rév.190, 116728 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Kits, KD et al. Faible rendement et origine abiotique du N2O formé par le nitrifiant complet Nitrospira inopinata. Nat. Commun. 10, 1836 (2019).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Akiyama, H., Yan, X. & Yagi, K. Évaluation de l'efficacité des engrais à efficacité améliorée comme options d'atténuation des émissions de N2O et de NO des sols agricoles : méta-analyse. Glob. Chang. Biol. 16, 1837–1846 (2009).

Annonces d'article Google Scholar

Jia, ZJ & Conrad, R. Les bactéries plutôt que les archées dominent l'oxydation microbienne de l'ammoniac dans un sol agricole. Environ. Microbiol. 11, 1658-1671 (2009).

Article CAS PubMed Google Scholar

Liu, R., Suter, H., He, JZ, Hayden, H. & Chen, DL Influence de la température et de l'humidité sur les contributions relatives de la nitrification hétérotrophe et autotrophe à la nitrification brute dans un sol de culture acide. J. Sols Sédiments 15, 2304–2309 (2015).

Article CAS Google Scholar

Ouyang, Y., Norton, JM, Stark, JM, Reeve, JR & Habteselassie, MY Les bactéries oxydant l'ammoniac sont plus sensibles que les archées à la source d'azote dans un sol agricole. Sol Biol. Biochimie. 96, 4-15 (2016).

Article CAS Google Scholar

Tzanakakis, VA et al. L'activité relative des archées et des bactéries oxydant l'ammoniac détermine les émissions de N2O dépendantes de la nitrification dans les sols forestiers de l'Oregon. Sol Biol. Biochimie. 139, 107612 (2019).

Article CAS Google Scholar

Taylor, AE, Vajrala, N., Giguere, AT, Gitelman, AI & Bottomley, PJ Utilisation de n-alcynes aliphatiques pour discriminer les activités de nitrification du sol des Thaumarchaea et des bactéries oxydant l'ammoniac. Appl. Environ. Microb. 79, 6544–6551 (2013).

Article ADS CAS Google Scholar

Wang, Q. et al. Les modifications induites par les engrais azotés dans les émissions de N2O sont davantage attribuées aux bactéries oxydant l'ammoniac qu'aux archées, comme l'ont révélé les inhibiteurs de 1-octyne et d'acétylène dans deux sols arables. Biol. Fert. Sols 52, 1163–1171 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Nicol, GW, Leininger, S., Schleper, C. & Prosser, JI L'influence du pH du sol sur la diversité, l'abondance et l'activité transcriptionnelle des archées et des bactéries oxydant l'ammoniac. Environ. Microbiol. 10, 2966-2978 (2008).

Article CAS PubMed Google Scholar

Di, HJ et al. Les bactéries et les archées oxydant l'ammoniac se développent dans des conditions d'azote du sol contrastées. Microbiol FEMS. Écol. 72, 386–394 (2010).

Article CAS PubMed Google Scholar

Hink, L., Nicol, GW et Prosser, JI Archaea produisent des rendements de N2O inférieurs à ceux des bactéries lors de l'oxydation aérobie de l'ammoniac dans le sol. Environ. Microbiol. 19, 4829–4837 (2017).

Article CAS PubMed Google Scholar

Offre, P., Prosser, JI & Nicol, GW La croissance des archées oxydant l'ammoniac dans les microcosmes du sol est inhibée par l'acétylène. Microbiol FEMS. Écol. 70, 99-108 (2009).

Article CAS PubMed Google Scholar

Gubry-Rangin, C. et al. Spécialisation de niche des oxydants d'ammoniac archéens terrestres. Proc. Natl. Acad. Sci. États-Unis 108, 21206–21211 (2011).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yang, L., Zhu, G., Ju, X. & Liu, R. Comment le N2O lié à la nitrification est-il associé aux oxydants d'ammoniac du sol dans deux sols contrastés en Chine ?. Sci. Environ. 770, 143212 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Fu, Q. et al. La contribution relative des bactéries et des archées oxydant l'ammoniac à l'émission de N2O de deux sols de rizières avec différentes sources d'azote d'engrais : une étude en microcosme. Géoderme 375, 114486 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Zhu, B. et al. Mesures du lessivage des nitrates d'une terre cultivée à flanc de colline dans le bassin central du Sichuan. Chine. Sol Sci. Soc. Suis. J. 73, 1419–1426 (2009).

Article ADS CAS Google Scholar

Zhu, B., Wang, ZH & Zhang, XB Fractions de phosphore et potentiel de libération des sédiments de fossé provenant de différentes utilisations des terres dans un petit bassin versant du haut Yangtze. J. Sols Sédiments 12, 278–290 (2012).

Article CAS Google Scholar

Zhu, B., Wang, T., You, X. & Gao, MR Libération de nutriments due à l'altération des roches violacées dans le bassin du Sichuan. Chine. Pédosphère 18, 257–264 (2008).

Article CAS Google Scholar

He, YR Purple sols en Chine (1). 69–70 (The Science Publishing Company, 1991).

Rotthauwe, JH, Witzel, KP & Liesack, WJ Le gène structurel de la monooxygénase d'ammoniac amoA en tant que marqueur fonctionnel : analyse moléculaire à petite échelle de la nature. populations oxydant l'ammoniac. Appl. Environ. Microbe. 63, 4704–4712 (1997).

Article ADS CAS Google Scholar

Francis, CA, Roberts, KJ, Beman, JM, Santoro, AE & Oakley, BB Ubiquité et diversité des archées oxydant l'ammoniac dans les colonnes d'eau et les sédiments de l'océan. Proc. Natl. Acad. Sci. États-Unis 102, 14683–14688 (2005).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, J., Mueller, C. & Cai, Z. Nitrification hétérotrophe de l'azote organique et sa contribution aux émissions d'oxyde nitreux dans les sols. Sol Biol. Biochimie. 84, 199–209 (2015).

Article CAS Google Scholar

Stieglmeier, M. et al. Production d'oxyde nitreux aérobie par formation d'hybrides N-nitrosants dans des archées oxydant l'ammoniac. L'ISME J. 8, 1135-1146 (2014).

Article CAS PubMed Google Scholar

Werner, C. et al. Émissions de N2O, C4 et CO2 des forêts tropicales humides saisonnières et d'une plantation de caoutchouc dans le sud-ouest de la Chine. Sol végétal 289, 335–353 (2006).

Article CAS Google Scholar

Lin, Y. et al. L'amendement biochar dérivé de la paille de blé a stimulé les émissions de N2O des sols de rizières en régulant les gènes amoA des bactéries oxydant l'ammoniac. Sol Biol. Biochimie. 113, 89-98 (2017).

Article CAS Google Scholar

Zhu, X., Burger, M., Doane, TA & Horwath, WR Les voies d'oxydation de l'ammoniac et la dénitrification par nitrification sont des sources importantes de N2O et de NO en cas de faible disponibilité en oxygène. Proc. Natl. Acad. Sci. États-Unis 110, 6328–6333 (2013).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Prosser, JI & Nicol, GW Oxydants d'ammoniac archéens et bactériens dans le sol : la quête d'une spécialisation et d'une différenciation de niche. Tendances Microbiol. 20, 523-531 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Yao, HY et al. Liens entre la structure, l'abondance et le potentiel de nitrification de la communauté des oxydants d'ammoniac dans les sols acides. Appl. Environ. Microbiol. 77, 4618–4625 (2011).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

He, JZ, Hu, HW & Zhang, LM Connaissances actuelles sur l'oxydation autotrophe de l'ammoniac thaumarchéen dans les sols acides. Sol Biol. Biochimie. 55, 146-154 (2012).

Article CAS Google Scholar

De Boer, W. & Kowalchuk, GA Nitrification dans les sols acides : micro-organismes et mécanismes. Sol Biol. Biochimie. 33, 853–866 (2001).

Article Google Scholar

Martens-Habbena, W., Berube, PM, Urakawa, H., de La Torre, JR et Stahl, DA La cinétique d'oxydation de l'ammoniac détermine la séparation de niche des archées nitrifiantes et des bactéries. Nature 461, 976–979.

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Stark, JM & Firestone, MK Caractéristiques cinétiques des communautés d'oxydants d'ammonium dans une prairie annuelle de forêts de chênes de Californie. Sol Biol. Biochimie. 28, 1307-1317 (1996).

Article CAS Google Scholar

Damste, JS et al. Enrichissement et caractérisation d'une archée autotrophe oxydant l'ammoniaque du groupe crénarchéen mésophile I.1a d'un sol agricole. Appl. Environ. Microbiol. 77, 8635–8647 (2011).

Annonces d'article Google Scholar

Di, HJ, Cameron, KC, Podolyan, A. & Robinson, A. Effet de l'état d'humidité du sol et d'un inhibiteur de nitrification, le dicyandiamide, sur la croissance des oxydants et des dénitrifiants d'ammoniac et les émissions d'oxyde nitreux dans un sol de prairie. Sol Biol. Biochimie. 73, 59–68 (2014).

Article CAS Google Scholar

Di, HJ & Cameron, KC Inhibition de l'oxydation de l'ammonium par une formulation liquide de phosphate de 3,4-diméthylpyrazole (DMPP) par rapport à une solution de dicyandiamide (DCD) dans six sols de prairies pâturées en Nouvelle-Zélande. J. Sols Sédiments 11, 1032–1039 (2011).

Article CAS Google Scholar

Zhang, LM, Hu, HW, Shen, JP & He, JZ Les archées oxydant l'ammoniac jouent un rôle plus important que les bactéries oxydant l'ammoniac dans l'oxydation de l'ammoniac des sols fortement acides. ISME J. 6, 1032-1045 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Hink, L., Gubryrangin, C., Nicol, GW et Prosser, JI Les conséquences de la différenciation de niche et physiologique des oxydants d'ammoniac archéens et bactériens pour les émissions d'oxyde nitreux. ISME J. 12, 1084-1093 (2018).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mørkved, PT, Dörsch, P. & Bakken, LR Le rapport de produit N2O de la nitrification et sa dépendance aux changements à long terme du pH du sol. Sol Biol. Biochimie. 39, 2048-2057 (2007).

Article Google Scholar

Smith, Z., McCaig, AE, Stephen, JR, Embley, TM et Prosser, JI Diversité des espèces de populations non cultivées et cultivées de bactéries oxydant l'ammoniac du sol et de la mer. Microb. Écol. 42, 228-237 (2001).

Article CAS PubMed Google Scholar

Shaw, LJ et al. Nitrosospira spp. Peut produire de l'oxyde nitreux via une voie de dénitrification nitrifiante. Environ. Microbiol. 8, 214–222 (2006).

Article CAS PubMed Google Scholar

Jung, MY et al. Enrichissement et caractérisation d'un archéon autotrophe oxydant l'ammoniaque du groupe crénarchéen mésophile I.1a d'un sol agricole. Appl. Environ. Microbiol. 77, 8635–8647 (2011).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Jung, MY et al. Signatures isotopiques du N2O produit par les archées oxydant l'ammoniac des sols. ISME J. 8, 1115-1125 (2013).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Walker, CB et al. Le génome de Nitrosopumilus maritimus révèle des mécanismes uniques de nitrification et d'autotrophie dans les crenarchaea marines distribuées à l'échelle mondiale. Proc. Natl. Acad. Sci. États-Unis 107, 8818–8823 (2010).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tourna, M. et al. Nitrososphaera viennensis , un archéon oxydant l'ammoniac du sol. Proc. Natl. Acad. Sci. États-Unis 108, 8420–8425 (2011).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Spang, A. et al. Le génome de Candidatus Nitrososphaera gargensis, oxydant de l'ammoniac : aperçu de la polyvalence métabolique et des adaptations environnementales. Environ. Microbiol. 14, 3122–3145 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Stieglmeier, M. et al. Production d'oxyde nitreux aérobie par formation d'hybrides N-nitrosants dans des archées oxydant l'ammoniac. L'ISME J. 8, 1135-1146 (2014).

Article CAS PubMed Google Scholar

Subbarao, GV et al. Portée et stratégies de régulation de la nitrification dans les systèmes agricoles - défis et opportunités. Crit. Rév. Usine Sci. 25, 303–335 (2006).

Article CAS Google Scholar

Balkcom, KS, Blackmer, AM, Hansen, DJ, Morris, TF & Mallarino, AP Tester les sols et les tiges de maïs pour évaluer la gestion de l'azote à l'échelle du bassin versant. J. Environ. Qual. 32, 1015-1024 (2003).

Article CAS PubMed Google Scholar

Shoji, S. & Kanno, H. Utilisation d'engrais enrobés de polyoléfine pour augmenter l'efficacité des engrais et réduire le lessivage des nitrates et les émissions d'oxyde nitreux. Noix. Cycl. Agroécosystème. 39, 147-152 (1994).

CAS Google Scholar

Zvomuya, F., Rosen, CJ, Russell, MP & Gupta, SC Lixiviation des nitrates et récupération de l'azote après application d'urée enrobée de polyoléfine sur la pomme de terre. J. Environ. Qual. 32, 480–489 ​​(2003).

Article CAS PubMed Google Scholar

Campbell, CA, Myers, RJK & Curtin, D. Gestion de l'azote pour une production agricole durable. Fert. Rés. 42, 277-296 (1995).

Article CAS Google Scholar

Corrochano-Monsalve, M. et al. Relation entre la gestion du travail du sol et l'efficacité de l'inhibiteur de nitrification du DMPSA. Sci. Environ. 718, 134748 (2020).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Deng, Q. et al. Évaluation des impacts de la gestion du travail du sol et de la fertilisation sur les émissions d'oxyde nitreux dans un champ de maïs à l'aide du modèle DNDC. J. Geophys. Res-biogeo. 121, 337–349 (2016).

Article CAS Google Scholar

Prosser, JI, Hink, L., Gubry-Rangin, C. & Nicol, GW Production d'oxyde nitreux par les oxydants d'ammoniac : diversité physiologique, différenciation de niche et stratégies d'atténuation potentielles. Glob. Chang. Biol. 26, 103–118 (2020).

Article ADS PubMed Google Scholar

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Cette recherche a été soutenue par le projet clé de la Fondation nationale des sciences de Chine (U20A20107) et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (41301266).

Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, #9, Block 4, Renminnanlu Road, Chengdu, 610041, Sichuan, Chine

Lei Hu, Zhixin Dong et Bo Zhu

Université de l'Académie chinoise des sciences, Pékin, 100049, Chine

Lei Hu

Institut des sciences géographiques et de recherche sur les ressources naturelles, Académie chinoise des sciences, Pékin, 100101, Chine

Zheng Wang

Université de technologie de Chengdu, Chengdu, 610059, Chine

Liwei Xiao

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LH et BZ ont conçu les expériences. LH, ZW et LX ont participé à l'acquisition et à l'analyse des données pour les travaux. LH a écrit le manuscrit. ZD et BZ l'ont révisé de manière critique pour un contenu intellectuel important. Tous les auteurs ont approuvé la soumission.

Correspondance à Bo Zhu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Hu, L., Dong, Z., Wang, Z. et al. Les contributions des bactéries et des archées oxydant l'ammoniac à l'émission de N2O dépendante de la nitrification dans les sols violets alcalins et neutres. Sci Rep 12, 19928 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23084-1

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Reçu : 14 juin 2022

Accepté : 25 octobre 2022

Publié: 19 novembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-23084-1

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