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水田における亜酸化窒素生成機構の解明

阐明稻田一氧化二氮的产生机制

基本信息

批准号：
12J02706
负责人：
利谷翔平
金额：
$ 1.15万
依托单位：
Tokyo University of Agriculture and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012 至 2013
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J02706/
关键词：
水田亜酸化窒素落水遺伝子発現 nirK 微小電極

项目摘要

今年度は、湛水土壌が落水(土壌面が大気に暴露された状態)した際に突発的に発生する亜酸化窒素(N_2O)の、土壌中における生成に寄与する微生物反応の特定を試みた。水田土壌を充填した土壌カラムを湛水とし, 100kgN/haの負荷で窒素を施肥した後に落水を開始し, 微小電極により土壌表層0～2cmのN_2O濃度およびO_2濃度を測定した。また、N_2Oの生成において重要な微生物反応である、硝化反応および脱窒反応の活性指標であるmRNAを深さ毎に計測し、N_2O生成位置の推定を行った。その結果、落水から1時間以内に土壌深さ約10mmを最大濃度とするN_2O濃度分布が形成された。さらに、酸素濃度分布およびN_2O濃度分布に基づいて推定したN_2O生成速度分布を解析した結果、8-14mmの還元層におけるN_2O生成が示唆された。一方、N_2O生成に関与する機能遺伝子の現量(mRNA)量を深さ毎に測定したところ、硝化に関与する機能遺伝子(amo4)のmRNA量は、落水後徐々に増加した。一方、脱窒に関与する機能遺伝子(ntrKのmRNA量は落水6時間後において、深さ5-10mmにおいて落水前の10倍にまで急激な上昇を示した。土壌深さ0-5mmにおいて硝酸の生成が確認されたことから、落水後のN_2O生成は表層で生成した硝酸が還元的な下層に拡散し、脱窒を受けることで起こることが示唆された。さらに、還元的な土壌環境への硝酸の流入がnirKの発現およびN_2Oの生成を促すことを確認するために、嫌気土壌スラリーに硝酸を添加し、N_2O濃度、ntK mRNAの経時変化を追跡した。その結果、硝酸添加1時間後に、nir(f)K mRNA量が添加前の100倍に急増し、48時間後にはN_2Oの濃度の増加が確認された。以上の結果から、落水後の水田土壌において、土壌表層の酸化層に存在するNH_4+が硝化反応によりNO_3 -に変化した後、拡散により還元層に移動する。還元層への硝酸の流入は、脱窒菌を活性化し、N_2Oが生成される、ことが示唆された。

In this year, the soil surface is exposed to water (soil surface is greatly exposed), and the specific test of microbial reaction is carried out during the sudden development of N_2O and the formation of N_2O in soil. The N_2O concentration and O_2 concentration in 0~2cm of soil layer were measured by micro-electrode at the beginning of watering after soil filling with 100kgN/ha of nitrogen and fertilizer. The activity index of N_2O production, nitrification, denitrification and denitrification of important microorganisms was measured and the location of N_2O production was estimated. As a result, the N_2O concentration distribution was formed at a soil depth of about 10mm within one time after falling into the water. The distribution of acid concentration and N_2O concentration was estimated based on the analysis of N_2O formation velocity distribution. The N_2O formation in the 8-14mm reduction layer was demonstrated. The mRNA levels of functional genes related to N_2O production and N_2O production increased with the increase of N_2O production and N_2O production. The mRNA level of ntrK increased rapidly 6 hours after falling into the water, 5-10mm deep, and 10 times before falling into the water. The formation of nitric acid in the soil at a depth of 0-5mm was confirmed. After falling into the water, the formation of nitric acid in the surface layer was confirmed. The formation of nitric acid in the lower layer was confirmed. Nitric acid influx, N2O production, NO 3 addition, N2O concentration, and ntK mRNA activation were identified. The results showed that Nir(f)K mRNA increased 100-fold after 1 hour of nitric acid addition, and N2O concentration increased 48 hours later. The above results show that NH_4+, NO_3 -and NO_3 -exist in the acidified layer of paddy soil after falling into the water, and move in the acidified layer of paddy soil after falling into water. Nitric acid in the primary layer was used to activate the bacteria, and N_2O was produced.