文摘

氮(N)在农业生产中发挥着重要作用。本研究旨在评估N cycle-associated可培养的微生物的存在(固氮bacteria-NFB、蛋白水解bacteria-PR ammonifiers-AMO, ammonium-oxidizing bacteria-AOB, nitrite-oxidizing bacteria-NOB,和denitrifiers-DEN),和物理化学和农业土壤的关系描述符,茄属植物phureja根际的土壤样本,从传统和有机作物管理农场。集群与土壤的理化性质的分析,可以确定有机质含量决定的结果作为一个重要的因素,分组。显著差异()之间的农场被发现丰富的团体,但相关分析表明,蛋白水解和固氮细菌是主要的氮官能团影响土壤的物理化学特征有关。氨可用的数量是影响农业管理策略,因此影响盲协丰度。最后结果表明,公关、蛋白酶活性和土壤性质与有机物转换和生产力具有积极的关系,并考虑到安第斯土壤的有机质含量高被研究,我们得出结论,氮矿化过程中一个重要的角色在这个生态系统氮循环及其生物利用度。

1。介绍

马铃薯是世界第四最受欢迎最重要的粮食作物和一个哥伦比亚的农产品;它占据了第九暂时的作物的播种面积和第六位产值(1]。茄属植物phureja是一个本机土豆代表大约10%的马铃薯作物生产在哥伦比亚(大约25000公顷种植,每年产生的150000吨),使哥伦比亚最高的生产商的本地马铃薯在安第斯国家(2- - - - - -4]。

在哥伦比亚地区马铃薯作物种植的特点是冷了,很冷的气候,由于其高海拔在安第斯山脉(海拔2000米(masl) 3500 masl),脆弱的生态系统,如目前所在的地方。这样的气候条件定义重要的土壤特性,因为它们限制有机物的矿化速度,这是原因之一,上述土壤特点是呈现高有机质含量(通常超过10%)。的火山灰andisols被认为是起源的材料部分或完全影响这些土壤的肥力,因为他们的有机和矿物成分主要是水铝英石和imogolite粘土分数,从而干扰氮矿化(5]。此外,humus-aluminum复杂(一小部分作为高防盗控制系统可用的磷在土壤溶液)也会影响土壤肥力(6]。

土壤中营养物质的限制条件对马铃薯生长至关重要,因为它也知道这些作物需要从土壤中提取大量的营养。这就解释了有利的回应受精,因为主要产量结果从高营养输入(7]。然而,土豆的农民增加了化肥的使用已经成为远远大于获得的生产力(8]。现在土豆种植者在化肥消费中占据第二位在哥伦比亚(咖啡生产商)后,代表整个马铃薯生产成本的14%到23% (9),因此受精因此似乎是一个关键因素决定企业竞争力(没有强调它的环境影响)。

土豆是一个非常敏感的作物氮肥,尤其是在土壤有机质高这样的受精可能会降低块茎产量和品质(10]。过量的氮可以延长营养阶段,因此干扰tuberization的起始,降低产量和块茎干物质积累的比例(11]。另一方面,一个低氮肥率可能产生过早衰老的植物由于早期易位氮从叶子到块茎(12]。物种的低效率等美国tuberosum在同化氮(已有详细记载13,14];因此,这种肥料的不当使用可能产生环境问题。例如,不平衡施肥可能加强氮浸出到水源以及N气体排放(15- - - - - -17]。形式的活性氮输入对生态系统由于人为活动,如农业和工业,应该会对土壤微生物产生影响中介这样的转换,以及循环的全球动态,因为据估计,大约95%的氮流在全球陆地系统仅限于plant-microorganism-soil系统(18]。因此,据估计,大约50%的氮应用于矿物肥料对环境有负面影响氮的代谢,从而支持N[的环境质量19]。

因此,必须寻求方法使施肥实践更有效,例如通过研究微生物群落参与营养生物转化如氮因为这样转换决定了植物的生物利用度。考虑到这一点,我们的目标是评估N-cycling微生物的丰富的官能团(生物固氮细菌、蛋白水解细菌、氨化细菌、氨和亚硝酸盐氧化剂,和脱氮剂)与其他生物化学和物理化学特征及其关系,与土壤的氮代谢相关的本地马铃薯(茄属植物phureja)作物。本研究假设下进行土壤理化属性可以影响这些官能团的人口规模以及土壤的酶活性,建立特定关系允许我们识别重要点的N循环,调节其生物利用度美国phureja作物的条件。

2。材料和方法

2.1。土壤样品

从七根际的土壤样本收集美国phureja作物位于Cundinamarca部门的一个主要本地马铃薯播种在哥伦比亚地区。五个作物被传统管理700公顷到900公斤⁻¹12:24:12或14:30:15氮磷钾施肥。另一个两种作物被有机管理;他们的特点是堆肥修正案适用于受精。作物区域采样通过五根际的土壤样品为每个作物覆盖在曲折,留下一个20 - 25米距离采样植物。每个五个次级样本被0.5厘米直径筛筛选然后在等量混合得到两个化合物样品/农场一个储存在4°C进行微生物分析在−20°C和其他酶分析。额外的数据关于生产力和施肥计划分析了传统管理农场。

理化分析土壤的土壤是在实验室完成的农艺所de哥伦比亚大学,使用标准方法的测量水分,pH值、有机碳(OC)、钙、钾、镁、钠、阳离子交换容量(CEC)、磷、铜、铁、锰、粘土、淤泥和沙子的比例,总氮(无机以及有机)、铵和硝酸。

2.2。土壤氮的微生物计数Metabolism-Associated官能团

分析了固氮细菌在修改负反馈琼脂平皿计数(20.),(组件每升:5 g苹果酸,0.5 g K₂HPO₄,0.2 g MgSO 0.1克氯化钠₄h·7₂啊,0.02 g CaCl₂h·2₂啊,0.05 g溴麝香草酚蓝,2 g KOH 8 g甘露醇,8 g葡萄糖)补充2毫升微量营养素的解决方案(组件/ l: 0.2 g Na₂MoO₄h·2₂啊,0.235 g MnSO₄,0.280 g H₃薄₃,0.08 g CuSO₄h·5₂啊,0.0024 g ZnSO₄h·7₂O), 1毫升的0.1 g L维生素的解决方案⁻¹(生物素,0.2 g L⁻¹吡哆醇)和4毫升(5.56 g FeSO Fe-EDTA解决方案₄7小时₂L O⁻¹,8.258 g L⁻¹Na₂EDTA)和固化Oxoid 1.5%琼脂,pH值为7.0。每个板培养5天28°C;在一式三份土壤样本进行了分析。

丰富的蛋白水解微生物(PR),氨化细菌(AMO)铵氧化剂(AOB),亚硝酸盐氧化剂(头)和脱氮剂(穴)是衡量最可能的数字(或然数)方法。短暂、文化媒体准备使用Winogradsky的盐溶液稀释至50毫升·L⁻¹和补充1毫升·L⁻¹微量元素的解决方案(21]。不同的碳和氮源使用根据感兴趣的组。明胶(30 g·L⁻¹)是用于公关作为唯一碳和氮源,而天冬酰胺(0.2 g L⁻¹)是用于AMO。碳酸钙(1 g L⁻¹)作为碳源和硫酸铵(0.5 g L⁻¹)、亚硝酸钠(5 g L⁻¹)作为美国银行的氮源和好的。窝了硝酸钾(2 g L⁻¹)和醋酸钠(10 g L⁻¹)。管是孵化一式三份15天在30°C的公关,AMO,窝,30天蟒蛇和好的。每一个微生物种群增长估计在特定媒体根据测试。明胶液化是用于确定公关丰富(22]。铵生产用于确定AMO奈斯勒试剂(23]。为美国银行估计和亚硝酸盐亚硝酸盐生产消费与格里斯Ilosvay BON估计测定试剂(24]。亚硝酸盐消耗和天然气产量是由达贝尔估计穴(25]。微生物或然数计算通过使用McCrady表(26];数被表示为微生物或然数克干土。

2.3。确定蛋白酶和固氮酶活性在土壤样本

蛋白酶活性测定所显示拉德和巴特勒(27];短暂的土壤孕育了0.1 g 2小时50°C 1毫升的酪蛋白溶液(2%)作为底物在碱性条件下(三羟甲基氨基甲烷缓冲液pH值8.1)。孵化期间发布的氨基酸使用Folin-Ciocalteu试剂colorimetrically以700海里。标准曲线是由酪氨酸找到发布的氨基酸的浓度样品的酶活性。每个样本评估5倍;两个反应控制(孵化样品没有下层)使用。土壤固氮酶是估计的乙炔还原活性(ARA)测试28]。一毫升不同土壤样本稀释培养瓶在一式三份包含9个毫升半固体的负反馈琼脂。接种瓶孵化24小时在30°C;10%的瓶子,取代它的是乙炔气体空间,然后每个样本再次孵化24小时。一旦孵化时间已经过去,生产乙烯的量是决定瓦里安3400气相色谱仪(美国瓦里安,加州核桃溪市)。固氮酶活性测定结果为每个农场,一式三份表达n摩尔乙烯每克干土的24小时。

2.4。统计分析

微生物计数分析以对数形式表示,因此一个方差分析做了大量的每组。然而,由于数据不支持正常的假设,我们使用了一个非参数的方法来验证统计上显著的差异通过对克鲁斯卡尔-沃利斯(千瓦)测试显著性水平(29日]。酶活性差异分析图基的测试在同一显著性水平。研究变量之间的相关性也进行了分析使用占据9.0。(30.]。观察到的变量之间的关系进行了分析,主成分分析(PCA)使用R统计软件包(31日]。层次聚类分析是通过使用每个土壤的理化和生物变量,根据平均连锁聚类方法占据9.0。(30.]。

3所示。结果

表1介绍了土壤样品的理化分析的结果研究;农业管理的独立农场被发现之间的差别,尤其是在有机碳含量,总氮,土壤水分的百分比,和土壤质地模式从粘土粘壤土(根据粘土、淤泥和沙子百分比)。pH值观察从适度酸到强烈的酸,有机农场拥有最高的pH值。应该注意,农场有机管理提出了最低的铵浓度相比传统的农场,农场除了1表现出最高的总有机氮和钙含量。同样,区别特征有机地与传统管理农场钠在有机农场管理(高)和铁浓度在传统管理农场(高)。

观测,土壤的有机质含量似乎是决定性因素时观察到的集群进行分层聚类分析与物理化学变量评估的结果(图1)。农场有较高的有机质含量(农场1、4、6和7)被分组在一个集群中,在这个分析和分离农场有低有机质含量(2、3和5)。这一结果表明,有机物质可能有一个重要的角色在土壤的理化差异研究。看来理化参数的联合分析分组根据农业管理农场,因为它是观察有机农场(6和7)分组管理,脱离传统管理农场(1和4)领域的集群内高有机质含量(1、4、6和7)。

图2介绍了固氮细菌(负反馈)计数的结果。传统管理的最高计数是农场3,4,5随后农场2中间值。传统管理农场1和有机农场管理6和7的最低数量。负反馈计数之间的关系和土壤的理化特性显示正相关()和铵浓度(),而有一个负相关与沙()和钠浓度()。有正相关()与淤泥()、粘土()和铁浓度(与pH值)和负相关()和水分()。

表2给其他组的微生物计数与土壤氮的代谢有关。结果表明所有微生物组估计农场之间的显著差异,除了蛋白水解微生物计数,不存在统计学差异的农场。窝细菌呈现数最低的有机管理农场6;中间值被发现在农场2 3和7其次是农场1、4和5,都有传统的管理和提供最高计数。官能团的公关和AMO接近三个数量级(来或然数g⁻¹干土),这是高于美国银行和BON计数(来或然数g⁻¹干土)。

大量不同的官能团之间的相关分析,生产力和其他土壤理化特征显示正相关(蛋白水解细菌和农作物产量之间的)(),土壤水分()、阳离子交换能力()、铜()、总氮(),有机碳()。否则,这个微生物组的负相关()与磷()。其他功能组不存在显著关系。

酶活性结果显示统计学意义差异的农场。例如,农场1和6蛋白酶活性最高(传统和有机管理,职责。)(图3)。这些农场的土壤样本提出了有机碳和总氮的最高水平(表1)。蛋白酶活动有正相关()与铜()。

关于固氮酶活性,没有固氮微生物计数和固氮酶活性之间的相关性。例如,最低的负反馈计算土壤样本中发现了从农场6,即使固氮酶活性最高(图4);然而,固氮酶活性和微生物数都高的土壤样本农场3。这种酶活性有显著相关性()和AMO细菌()、锰(),同时与镁()()。

PCA也进行识别的主要研究中的氮循环相关的变量。图5显示了分析解释了这组数据的变化。

4所示。讨论

N循环农业系统是一个非常重要的过程,但尤其是在马铃薯作物氮过剩和不足可能会干扰作物周期的持续时间,因此块茎产量(10]。本机土豆美国phureja种植在哥伦比亚在高山土壤,有机含量高和低的温度和pH值;我们的研究表明,这种特征行列式N cycling-associated微生物活动,其中N矿化蛋白水解细菌似乎发挥重要作用。

尽管这些土壤的高有机质、马铃薯种植者通常应用高N施肥输入从而影响微生物种群和土壤理化参数。在文献中,矛盾的结果发现描述农业实践这些土壤物理化学变量的影响。一些作者报道一些差异在这个变量与农业的关系管理(32]。然而,其他人(33,34)观察到的差异测试土壤的物理化学变量关系的类型修正案应用(有机或无机肥料)。例如高pH值(32,33,钙含量(32- - - - - -34),已经与有机管理,也观察到类似的结果我们的研究(表1)。其它土壤理化特征显示一些差异管理策略包括铵含量土壤矿物受精农场,可能由于这个元素的掺入的施肥方案。从土壤中铵是固定的粘土(35),预计这些变量之间的正相关关系,然而我们在研究中没有发现这种相关性。另一方面,高浓度的钠被发现在土壤有机管理,然而没有一个明显的理由支持有机修正案等的积累的影响元素(36]。

如上所述的土壤有机质含量似乎是决定性因素时观察到的集群进行分层聚类分析与物理化学变量的结果评估。胡瓜鱼和他的同事们(37)强调了土壤中有机质的重要性,因为影响土壤的物理、化学和生物性质;然后有可能在土壤被研究,这是一个因素,确定土壤的物理和生物特性以及它们之间的关系。

在目前的研究中,例如,授予了积极与土壤中铵的浓度。因为它是知道铵可能抑制固氮酶活性(38- - - - - -40),那么这种相关性可能是这一组的结果更好的增长效率可用土壤中的铵,更多的能量被用于细胞增殖而不是通过高的能量被浪费能量消耗的固氮的铵(41]。

之间的负相关关系也发现负反馈的数量和土壤水分。这种关系是不会因为氧气可用性成为减少在潮湿的环境中,微生物因素可能会从中受益,这取决于生物固定他们的发展,因为它已被证明,氧气可以调节固氮酶活性和酶的稳定性42,43]。然而,关于出现在这些土壤铵的可用性,氧负反馈增长很可能不是限制因素包括伟大的需氧菌等微生物多样性有不同氧亲和力microaerophiles,兼性厌氧菌和专性厌氧菌(44]。

尽管N固定似乎没有主要作用在土壤被分析,预计负反馈的数量与铁之间的相关性被发现,可能因为铁是固氮酶酶辅助因子(45]。积极的固氮酶活性之间的相关性被发现在土壤和Mg作为细胞内ATP运输相关酶的辅因子,这是一个充满活力的分子在高需求在这一过程中44]。这表明,尽管与代谢相关的负反馈的扩散铵存在于环境中,负反馈是一个活性基团可能参与的生物输入氮的土壤环境美国phureja庄稼被研究。负反馈粘土和淤泥的积极的关系,是影响微生物丰度结构特点,是预期的,因为他们能够窝藏surface-adhered细菌提供物理保护和限制流动障碍确保这些微生物的更大的保留在土壤中(46]。尽管负反馈和一些物理化学变量之间的关系,没有关系是这个小组的发现与农艺变量如受精(公斤公顷⁻¹的氮、钾、磷)和生产应用。

关于蛋白水解微生物,变量之间的关系被发现参与有机质矿化如水分、阳离子交换容量、有机碳总N含量(N矿化),和生产力(图5)。亚斯兰所描述的et al。47),土壤中的N矿化N循环,是一个关键过程和土壤特征如有机质、持水量,总N是重要的环境因素影响土壤的过程。因此,蛋白水解微生物之间的关系发现,生产力,和N mineralization-related物理化学性质表明,N输入机制通过其矿化有机物来源扮演着一个重要的角色在生产系统中,尽管高水平的无机肥料应用领域正在研究(700到900公斤公顷⁻¹之间的90和150公斤公顷⁻¹氮)。这种有机氮的影响已经被Gastal和她以前讨论的48)建议,尽管收购N×植物通常是在无机铵或硝酸盐形式,土壤有机氮也可以使用的植物,甚至代表总数的很大一部分N吸收,特别是生态环境等酸性土壤和低温环境中,这些在我们的研究土壤的特征。

同样,杰克逊et al。19)认为,土壤中N周期是由土壤有机质含有大约5% N,以及其他不稳定来源的碳和氮、等激进的渗出液,死亡的微生物细胞,细胞分泌的产品。根据这些作者,这个有机物质是由胞外酶的作用释放单体解聚像氨基酸,反过来,先后被mineralization-releasing铵分解可用于ammonium-oxidizing细菌、亚硝酸盐氧化剂,和反硝化细菌,从而确保整个生态系统N的流动。这些作者也强调,碳和氮循环密切相关,因为微生物过程可以解决N转换成形式提供给工厂的时候适量的碳是可用的。同样,l . Boeme和f . Boeme49)说,蛋白酶活动需要释放N N化合物的植物吸收,因为大多数矿物土壤有机结合。因此,如果N转换通过蛋白水解活动是一个过程这地址在土壤中元素的周期,enzyme-driven阻垢应产生可利用的限制步骤N .这表明,最合适的方法来确定有机N解聚作用将蛋白酶活性测定50]。在目前的研究中,整体蛋白酶活动与其他参数无相关性与有机质的矿化。然而,有一个总体趋势有关农场拥有大量有机碳和总氮、也呈现蛋白酶活性最高,确认报告等其他作者Fuka et al。51),Kunito et al。52),而萨哈et al。53]。

另一方面,农场5提出了最低的有机碳和总氮水平也很高的蛋白水解活性,甚至被类似的农场1和6因此暗示其他因素影响土壤蛋白酶活性。这个农场含有粘土的比例最高,所显示Fuka et al。51由于蛋白酶),影响蛋白水解活性稳定粘土颗粒而只在沙质土壤酶活性取决于土壤微生物释放的酶的活性。然后,不包括农场5从相关分析导致显著正相关蛋白酶活动与生产、有机碳、阳离子交换能力,水分,和总氮(结果未显示)。这个结果除了高异养微生物蛋白水解和氨化细菌数量,和土壤理化参数的关系与有机质矿化将再次支持N矿化显然在N循环起着重要的作用美国phureja作物直接干扰他们的生产力。众所周知,土壤N周期可分为三个子循环:元素,自养和异养,这对一个或多个竞争土壤N池,池铵等,这样的竞争的结果决定了哪些子循环占主导地位(35),因此可能异养次循环(矿化)主导N转换的基本子循环(生物氧化还原反应)在有机质含量高的土壤被研究。

本研究发现蛋白酶活动之间的积极关系和铜水平测量土壤中。类似的研究结果得到Kunito et al。52)表示,这些结果可能是由于确定铜之间的多重共线性,土壤有机碳和博士这一现象可能是类似在我们的例子中铜的浓度也与水分、有机碳和总氮、变量预计将支持这样的酶活性。此外,虽然已经认识到metalloproteases土壤肽酶的主要来源(22铜),我们所知,还没有被描述作为一个辅助因子,增强其活动。

5。结论

通过蛋白水解微生物有机氮的贡献系统似乎是重要的N循环茄属植物phureja下根际的土壤研究,典型的安第斯山脉的高山马铃薯作物土壤有机质含量高、低温和博士因此,其他官能团如与生物固氮作用似乎扮演一个次要角色将N在土壤中这种类型的生态系统。这可能是因为N贡献很大程度上是由矿物肥料或有机来源,从而减少了激励负反馈提高土壤N。

其他功能组,参与土壤N代谢在这项研究中,没有显示出物理化学变量的密切关系土壤和作物农艺性状如受精和生产,这将承担任何可能的原因为使用N循环标记类似的原生生态系统美国phureja土豆。

确认

作者要感谢哥伦比亚农业和农村发展部和CENICAFE(咖啡种植者联合会的研究机构),为本文提供了财政支持。我们还要感谢CIMA研究联盟的成员(Consorcio de Investigacion en Metagenomica阿格里科拉)支持。他们感激费尔南多Tunjano FEDEPAPA他帮忙找到的农场和农民允许他们把土豆在这个领域工作。