基于微生物群体感应信号抑制剂的调控作用改善土壤氮损失及其机制的研究

20250115

科学研究和技术服务业

得到一种基于微生物群体感应（quorum sensing, QS）调控的抑制剂（QSI），可干预农田土壤氨化、硝化、反硝化过程，弥补了对实际生境下微生物信号调控作用研究的空白。通过实验室微宇宙实验揭示了QSI对碱性潮土的硝化过程具有调控作用。从环境微生物中提取的一类QSI代谢产物可以通过降低氨氧化古菌amoA基因丰度、氨氧化细菌amoA基因丰度、nxrA基因丰度及Candidatus Nitrososphaera、Candidatus Nitrocosmicus、亚硝化单胞菌属、亚硝化螺菌属、硝化螺菌属的相对丰度来抑制硝化过程。此QSI与传统硝化抑制剂DMPP联合施用时的硝化抑制率（45.94%84.29%）高于DMPP单施（19.73%57.76%）。阐明了QSI对酸性红壤的硝化、反硝化过程均具有调控作用。所选用的QSI表现出显著的尿素分解抑制效率及硝化抑制率。可以在农田N2O排放高峰期（第4天）通过降低narG基因的丰度抑制反硝化过程，并通过提高nosZ基因的丰度抑制N2O的排放。综合碳排放效应、对土著微生物群落结构的扰动及环境毒性风险的结果，此QSI潜在生态风险低，是一种具有较高的农业应用可行性的抑制剂。此成果目前处于实验室研究阶段，可进一步中试熟化进行验证。

探索建立“研企地”合作共建的改善农田氮损失、提高氮肥利用率中试熟化基地，初期中试平台农田场地（京津冀碱性潮土旱田、南方酸性红壤水稻田）需约10亩，设置抑制剂处理组、空白对照组，开展为期2-3年的农田NH3、N2O的连续监测及单位亩产统计。

可国（境）内外转让

1、经济效益：依托中试基地的建设及预期结果，可合理施用氮肥，降低生产成本，减少环境污染。通过延长铵态氮在土壤中的留存时间，QSI抑制剂使土壤较长时间地保持更多的铵态氮，从而改变土壤中的氨氮与硝态氮比例，有利于作物对氮肥的吸收和利用，提高氮肥利用率10％以上。同时可以根据天气条件、土壤类型和作物需求来调整抑制剂施用时间和剂量，以达到最佳的养分管理和经济效益 2、社会效益：通过减少外部输入的依赖，比如频繁添加额外的氮肥，QSI抑制剂能够帮助建立更为自给自足且环保的农业生产系统。 3、生态环境效益：通过延缓氨氮向硝态氮的转化，使得更多的氮元素能够在较长时间内保持在土壤中，可供作物吸收利用，减少了因淋溶、挥发或反硝化造成的氮损失。能够显著减少硝酸盐进入地下水和地表水体的可能性，降低了对饮用水源和生态系统的负面影响。此外，还能减少温室气体N2O的排放。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

开发新型氮素转化抑制剂已成为研究农田保氮、氨挥发减排、温室气体减排的热点。通过本项目的实施，将单菌水平的群体感应（quorum sensing, QS）调控研究推进至实际土壤生境，首次从微生物信号调控的角度来研究土壤中氮素的转化过程。为了全面评估是否能够通过干预微生物的群体感应效应来抑制土壤的氮损失，本项目将以具有抑制微生物群体感应作用的QS信号抑制剂（quorum sensing inhibitors, QSIs）为研究对象，利用土壤微宇宙实验观察其调控的氮转化过程，并在功能基因及功能微生物层面解析了QSIs的微生物作用机制，最后基于碳排放效应、微生物生态效应及生态毒性效应阐明了 QSIs的生态效应及应用可行性。 项目围绕传统的降低土壤氮肥损失的技术瓶颈问题（即传统脲酶抑制剂、硝化抑制剂存在施用量大、污染风险大、作用效果不稳定、作用靶点单一等问题），开发利用微生物自身的QS调控效应，挖掘出2种具有降低土壤氮损失、调控N2O减排能力的QSIs，分别为penicillic acid和4-iodo-N-[(3S)-tetrahydro-2-oxo-3-furanyl] benzeneacetamide（4-iodo PHL）。取得以下主要成果：（1）揭示了QSI对碱性潮土的硝化过程具有调控作用。从环境微生物中提取的一类QSI代谢产物penicillic acid可以通过降低氨氧化古菌amoA基因丰度、氨氧化细菌amoA基因丰度、nxrA基因丰度及Candidatus Nitrososphaera、Candidatus Nitrocosmicus、亚硝化单胞菌属、亚硝化螺菌属、硝化螺菌属的相对丰度来抑制硝化过程。penicillic acid与DMPP联合施用时的硝化抑制率（45.94%84.29%）高于penicillic acid单施（28.20%75.29%），penicillic acid单施的硝化抑制率高于DMPP单施（19.73%~57.76%）。（2）阐明了QSI对酸性红壤的硝化、反硝化过程均具有调控作用。信号物质抑制剂penicillic acid和4-iodo PHL均表现出了显著的尿素分解抑制效率，其中4-iodo PHL的抑制效率可达到约41.24%，penicillic acid约为29.34%。4-iodo PHL不仅在尿素分解过程表达了十分高的抑制效果，对于硝化过程也表现出极高的抑制作用。而penicillic acid可以在农田N2O排放高峰期（第4天）通过降低narG基因的丰度抑制反硝化过程，并通过提高nosZ基因的丰度抑制N2O的排放。penicillic acid在厌氧培养第4天的反硝化抑制率和N2O排放抑制率分别为33.16%和61.10%。（3）明确了施用QSI penicillic acid可能产生的生态效应。penicillic acid不会作为碳底物增加温室气体排放水平。penicillic acid的添加类似于一种脉冲式扰动，土壤微生物多样性和群落组成随培养时间增加有向原始群落状态恢复的趋势，表明penicillic acid扰动下微生物群落结构仍具有良好的弹力和恢复性。penicillic acid还可以通过提高土壤微生物网络复杂性、紧密性和模块化程度从而提高微生物群落的稳定性。此外，penicillic acid对土壤模式动物的生态毒性较低。综合上述碳排放效应、对土著微生物群落结构的扰动及环境毒性风险的结果，penicillic acid对土壤生态环境的潜在风险较低，具有较高的农业应用可行性。 项目成果从群体生态学层面揭示了QSIs 对土壤微生物群落及氮转化功能群生态学行为产生的全局调控，弥补了过去对实际生境下微生物信号调控作用了解的不足，阐明了群落水平上 QS 调控氮素转化的新机制，推动了微生物信号调控技术在污染物转化降解、农田保肥增效等实际应用水平的整体提升。