中国科学院南京土壤研究所EST｜轮胎磨损颗粒暴露通过富集活性DOM和塑造微生物群落增强土壤反硝化

生态环境科学 · 公众号 · · 2025-01-17 08:51

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文章信息

第一作者： 魏志军，马小芳

通讯作者：单军研究员

通讯单位：中国科学院南京土壤研究所

https://doi.org/10.1021/acs.est.4c09766

亮点

• 研究了不同剂量的轮胎磨损颗粒及其渗滤液对土壤反硝化的影响。

• 采用傅里叶变换离子回旋共振质谱和高通量测序明确了轮胎磨损颗粒的作用机制。

• 轮胎磨损颗粒通过影响土壤溶解性有机质含量和分子组成的变化，促进土壤反硝化气态产物 N ₂ 和 N ₂ O 的排放是由于轮胎磨损颗粒造成的。

• 相比于轮胎磨损颗粒渗滤液浸出过程中的溶质输入，其颗粒效应对土壤微环境碳氮转化影响更大。

研究进展

土壤是轮胎磨损颗粒（TWP）的重要汇，大约49–90%的TWP都沉积在城市或近郊高速公路附近的土壤中。TWP进入土壤后会经历一系列物理化学和生物转化过程，例如碎裂成更细小的颗粒、从表土到深层土的垂直输送、以及化学添加剂的分解和浸出。这些过程不可避免地会改变土壤环境，并影响土壤生物地球化学过程。然而，TWP对土壤生态系统功能和养分循环，特别是氮循环的影响有待研究。反硝化作用在氮循环网络中至关重要，尤其是在施氮土壤中，会导致氮损失和温室气体 N ₂ O的产生。因此，明确TWP及其渗滤液对土壤反硝化的影响，对于评估TWP在土壤中的生态环境风险至关重要。

本研究通过自动连续流培养系统（RoFlow）实现了对城郊土壤 N ₂ 排放通量的直接测定，发现TWP暴露显著增加 N ₂ 排放速率，并降低硝态氮含量，表明TWP暴露可以促进旱地土壤的完全反硝化过程，导致土壤硝态氮通过反硝化以气态氮形式损失。此外，TWP渗滤液单一暴露也增加了土壤 N ₂ 和 N ₂ O排放速率，但没有显著降低土壤硝态氮含量。这主要归因于TWP渗滤液处理降低了土壤细菌的丰度，暗示TWP渗滤液中的添加物对细菌活性抑制作用，使得硝态氮的微生物同化（硝态氮固持）受到抑制，导致更高的硝态氮残留和更高的 N ₂ O排放。此外，TWP暴露也增加了土壤CO ₂ 排放，表明TWP提高了土壤碳的生物可利用性，刺激了包括异养反硝化菌在内的微生物活性。

土壤DOM是反硝化过程的重要碳源，其化学分子组成决定了其生物可利用性的高低。傅里叶变换离子回旋共振质谱结果显示，TWP暴露会增加高活性易分解DOM分子的相对峰强，包括脂质、蛋白质、氨基糖和碳水化合物类化合物。TWP暴露也提高了DOM的热力学有利转化过程和反应的平均ΔG值，表明TWP影响下，土壤DOM分子的热力学稳定性相对较低。

TWP暴露导致了土壤细菌群落组成和结构明显变化，如显著增加了变形菌门的相对丰度。微生物网络分析表明，变形菌门中 Pseudomonas 、 Bradyrhizobium 等是网络中的关键属，且这些属与 N ₂ 排放通量显著正相关，在TWP暴露增加完全反硝化过程中发挥了重要作用。

TWP暴露通过改变土壤DOM的稳定性，改变了 N ₂ O生成与还原之间的平衡，进而影响了土壤反硝化过程的产物比。其中，高活性易分解的DOM分子与 nosZ -I丰度、 N ₂ 排放速率之间呈现正相关关系，表明高活性易分解DOM分子是完全反硝化菌更倾向利用的碳源和电子供体。综上，本研究的结果表明TWP暴露可能会加剧城郊土壤温室气体排放和肥料氮损失，对土壤肥力和缓解气候变化产生不利影响。

作者介绍

单军，中国科学院南京土壤研究所研究员，博导，国家高层次人才计划青年拔尖人才获得者。国际腐殖物质协会(IHSS)会员，中国土壤学会氮素工作组委员兼秘书，中国科学院青年创新促进会会员，江苏省土壤学会理事。现任 European Journal of Soil Science 和 Soil Use & Management 副主编、 Journal of Hazardous Materials 和 Soil & Tillage Research 编委。主持国家自然科学基金联合基金重点项目、面上项目和中科院仪器设备研制青年人才类项目等10余项科技项目。长期从事土壤碳氮循环和面源污染防控研究，已在 Global Change Biology 、 Environmental Science & Technology 、 Soil Biology & Biochemistry 等期刊发表论文70余篇，论文总被引2800余次，H因子30，连续入选2023，2024斯坦福全球前2%顶尖科学家榜单。

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