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平面光极案例:氮肥颗粒周围亚表面氨和pH动态对硝化作用的影响

更新时间:2024-05-24   点击次数:66次

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本次分享一篇由丹麦奥胡斯大学团队在《Soil Biology and Biochemistry》上发表的一篇学术论文"Visualizing small-scale subsurface NH3 and pH dynamics surrounding nitrogen fertilizer granules and impacts on nitrification activity。本文研究了农业土壤中氮肥颗粒周围小尺度(毫米级)的氨(NH3)和pH动态变化,以及这些变化对硝化作用活性的影响。

研究亮点(Highlights):

  • 1. 研究开发了一种新型的光电极系统,用于可视化氮肥颗粒产生的小尺度NH3和pH变化。

  • 2. 尿素颗粒产生的NH3和pH水平较高,而氯化铵颗粒产生的NH3水平较低,pH动态变化不同。

  • 3. 硝化作用活性在氯化铵颗粒附近最高,并随距离增加而降低。

  • 4. 尿素颗粒附近硝化作用活性较低,并随距离增加而增加。

  • 5. 氨氧化细菌的amoA基因转录在远离氯化铵颗粒的地方受到抑制,在靠近尿素颗粒的地方增加。


在本文中,平面光极(optode)系统被应用于实时、连续地检测和可视化亚毫米级尺度上由氮肥颗粒引起的土壤化学变化,特别是氨(NH3)和pH值的变化。这项技术使得研究人员能够在实验室微宇宙室内,对施用氯化铵(NH3)或尿素颗粒后的土壤进行高时空分辨率的监测。具体应用如下:

1. 实时监测:利用平面光极系统,研究人员能够实时监测土壤中NH3和pH值的变化。

2. 高时空分辨率:该系统提供了小尺度空间(毫米级)和时间(0至3天)上NH3和pH值的高分辨率成像。

3. 土壤化学变化:通过平面光极系统,研究人员能够观察到施用氮肥后土壤化学成分的动态变化。

4. 氮肥颗粒的影响:研究比较了氯化铵(NH4Cl)和尿素颗粒对土壤微环境的影响,包括NH3的产生、扩散和相关的pH变化。

5. 硝化作用活性:通过监测NH3和pH的变化,研究人员能够评估这些变化对硝化作用活性的影响。

6. 微生物活动:研究还探讨了NH3和pH的梯度变化对土壤微生物群落,特别是氨氧化细菌(AOB)、古菌(AOA)和氨氧化菌(comammox)的基因和转录活性的影响。

7. 环境影响:研究结果有助于更好地理解氮肥施用对土壤环境的影响,以及如何通过管理措施减少氮的损失并提高氮的利用效率。

8. 实验设置:研究人员使用了一个特制的实验腔室,配备有平面光极,用于监测土壤中的NH3和pH值。

9. 数据获取:通过平面光极系统,研究人员能够获取土壤中NH3和pH值的二维图像,从而直观地展示NH3和pH的空间分布。

10. 概念验证:研究还进行了概念验证,展示了使用平面光极系统在识别产生脲酶的病原体(如枯草杆菌Bacillus subtilis)方面的潜在应用,而无需依赖于pH的变化。

这项研究是直接可视化施用氮肥颗粒后土壤中NH3浓度和pH值的小尺度亚表面变化,并将这些变化与硝化作用活性联系起来。通过这项研究,研究人员能够为农业可持续性提供新的见解,并为提高肥料氮的利用效率和减少氮损失提供科学依据。

平面光极技术是当今先进的光电传感技术之一,智感环境团队基于这种技术,相继开发出了一种封闭式平面光极设备(PO2100)和一种便携式平面光极设备(PO1100),可实现沉积物/土壤/植物根际/水体中pH、DO和CO2的实时高分辨率检测,这在光电传感技术领域是一项重要的突破。