Interactions between dicyandiamide and periphytic biofilms in paddy soils and subsequent effects on nitrogen cycling

水稻土雙氰胺與周圍植物生物膜的相互作用及其對氮素循環的影響

來源：Science of the Total Environment 718 (2020) 137417

 

1. 論文摘要核心內容

 

研究揭示了雙氰胺（DCD）與稻田附生生物膜的相互作用及其對氮循環的影響：

 

 

DCD施用抑制硝化作用（主要針對氨氧化細菌AOB），但高劑量DCD增加氨揮發損失。

 

附生生物膜的存在加速DCD降解，同時減少氨揮發損失，但增強反硝化作用。

 

光照條件下生物膜通過光合作用改變土壤-水界面的溶解氧（DO）和pH，進而調控氮轉化路徑。

 

2. 研究目的

 

闡明DCD與稻田附生生物膜的互作機制，并量化這種互作對氮循環關鍵過程（硝化、反硝化、氨揮發）的影響，為優化氮肥管理提供依據。

 

3. 研究思路

 

1.微宇宙實驗設計：

 

設置6組處理：光照（L）、光照+5%DCD（5NL）、光照+10%DCD（10NL）、黑暗（D）、黑暗+5%DCD（5ND）、黑暗+10%DCD（10ND）。

 

監測周期16天，定期取樣分析（第4、8、12、16天）。

2.關鍵參數測量：

 

DCD動態：HPLC分析水體和土壤中DCD殘留（圖2）。

 

生物膜特性：葉綠素a（Chl.a）表征藻類生物量，有機質（OM）表征微生物量（圖3）。

 

 

氮形態：TN、NH??-N、NO??-N、NO??-N濃度（圖4, 5）。

 

 

 

氣體損失：氨揮發（通風法）（圖6）。

 

 

微生物功能：硝化潛力（NP）、反硝化潛力（DNP）及功能基因（AOA/AOB amoA, nirK, nosZ）（圖7, 8）。

 

 

氧動態：Unisense微電極原位測量土壤-水界面DO（圖1）。

 

3. 統計分析：RDA分析環境因子與生物膜特性的關系（圖9）。

 

 

4. 關鍵數據及其意義

（1）Unisense微電極DO數據（圖1）

 

數據：光照條件下DO濃度顯著高于黑暗條件（p<0.05）；添加DCD進一步增加DO（10NL > 5NL > L）。

 

意義：

 

首次揭示生物膜光合作用主導界面氧環境，高DO促進好氧過程（如硝化）。

 

解釋DCD的"矛盾效應"：DCD雖抑制硝化菌，但生物膜光合作用抵消了DO消耗，維持高氧微環境。

 

（2）DCD降解與生物膜發育（圖2, 3）

 

DCD殘留（圖2）：光照下DCD降解更快（生物膜加速降解）；高劑量DCD殘留更高。

 

生物膜響應（圖3）：光照下Chl.a和OM顯著升高，DCD添加（尤其10NL）進一步促進生物量積累（提供間接氮源）。

 

意義：證實生物膜與DCD雙向作用——DCD抑制細菌卻促進藻類；生物膜加速DCD礦化。

 

（3）氮循環過程數據

 

氨揮發（圖6）：DCD增加氨揮發損失（尤其黑暗下10ND最高），但生物膜減少氨揮發（同化NH??）。

 

硝化與反硝化（圖7）：

 

DCD抑制NP（AOB amoA基因豐度降低）（圖8）。

 

生物膜存在時DNP升高（高DO與有機碳釋放促進反硝化）。

 

氮分配（圖4, 5）：生物膜同化水中NH??和NO??，使水體TN下降而生物膜TN上升。

 

（4）RDA分析（圖9）

 

關鍵關聯：DO、pH與生物膜Chl.a/OM正相關；DCD濃度與NH??-N正相關，與NO??-N負相關。

 

意義：量化環境因子對氮路徑的調控權重，證實DO是驅動氮轉化的核心變量。

 

5. 丹麥Unisense電極數據的專項解讀

（1）技術創新性

 

 

原位高分辨監測：微電極（OX-500, 500μm尖端）以0.02s/點頻率穿透生物膜層，首次實現土壤-水界面毫米級氧梯度動態追蹤（傳統水樣DO無法反映界面微環境）。

 

校準嚴謹性：采用CAL300腔室（大氣氧）和抗壞血酸鈉（缺氧參照）雙校準，確保數據可靠性。

 

（2）科學價值

 

1.揭示生物膜對氧環境的調控機制：

 

光照下生物膜光合作用使界面DO達飽和（>8 mg/L），直接解釋AOB豐度升高（圖8）與NP增強（圖7）。

 

黑暗下DO驟降（<2 mg/L）導致反硝化主導（圖7），闡明缺氧微區擴大的物理基礎。

2.解析DCD作用的邊界條件：

 

DCD對硝化的抑制效果在高DO環境下減弱（生物膜抵消DO消耗），挑戰"DCD universally抑制硝化"的傳統認知。

 

明確氧梯度重構是DCD間接增強反硝化的主因（非直接作用）。

3.指導田間管理：證明光照管理可優化DCD效果——通過生物膜光合作用維持適度DO，平衡硝化抑制與反硝化控制。

 

6. 研究結論

 

1.雙向相互作用：

 

DCD抑制硝化菌（AOB），但促進藻類生物膜生長。

 

生物膜加速DCD降解，同時改變界面理化環境（↑DO, ↑pH）。

2.氮循環路徑重構：

 

DCD增加氨揮發風險（尤其高劑量黑暗條件），但生物膜減少氨揮發損失（同化作用）。

 

生物膜存在時反硝化增強（高DO與碳釋放驅動）。

3.應用啟示：稻田施用DCD時需協同光照管理，利用生物膜調控氧環境以最大化氮保留效益。

 

Unisense電極數據的實踐意義

 

該技術不僅闡明微觀機制，更提供可操作的田間調控靶點：

 

 

實時氧監測：為灌溉管理（如間歇光照）提供依據，優化生物膜光合作用強度。

 

DCD劑量優化：高DO環境下可降低DCD用量，減少生態風險（如DCD殘留對水生生物毒性）。

 

碳中和潛力：通過抑制反硝化減少N?O排放，呼應"雙碳"目標。