The nitrification inhibitor DMPP preferentially suppresses ammonia-oxidising bacteria and reduces nitric oxide emissions in an archaeal-dominated grassland soil

我们脚下的土壤是一个繁忙的隐形化学工厂，不断地将我们添加到田间的养分转化为植物可以利用的形式。在这片地下世界中，最关键的过程之一是硝化作用，即特定的微生物将常见的肥料形式——铵转化为硝酸盐。虽然这种转化能为农作物提供养分，但它也有一个副作用：它会向空气中释放气体。其中有两种气体尤为重要。一氧化二氮是一种强效温室气体，会吸收大气中的热量；而一氧化氮则在形成雾霾和酸雨方面发挥着重要作用，影响空气质量和人类健康。几十年来，科学家们一直知道两类不同的微观生命——细菌和古菌——驱动着这一过程。在许多现代农业土壤中，古菌的数量远多于细菌，这导致研究人员假设它们是气体排放的主要驱动者。然而，那些数量较少的细菌在释放这些特定气体方面的确切作用一直是一个谜，使得农民和科学家们无法确定如何在不损害作物生长的情况下最好地阻止这些排放。

为了解开这个谜团，一个研究小组将注意力转向了英国的一片草地土壤，那里的古菌数量明显超过了细菌。他们设计了一个受控实验，观察在向土壤中添加尿素（一种标准氮肥）时会发生什么。他们想看看是占主导地位的古菌还是稀有的细菌负责释放一氧化氮和一氧化二氮。为了测试这一点，他们引入了两种不同的化学抑制剂，这些物质旨在减缓硝化过程。其中一种抑制剂是一种被称为 DMPP 的化合物，已知它在针对细菌方面特别有效。通过对比仅施肥的土壤与施加了抑制剂后的施肥土壤，研究小组可以观察到哪些微生物在气体产生过程中承担了主要的“重任”。他们对土壤进行了连续二十八天的监测，测量从地表逸出的气体流量，并追踪这些微观群落数量随时间的变化。

结果揭示了土壤化学故事中一个令人惊讶的转折。尽管古菌占据了土壤中氨氧化群落的约三分之二，但细菌却是释放一氧化氮的不成比例的主要责任者。当研究人员使用 DMPP 抑制剂时，它成功抑制了细菌的数量，同时使古菌基本不受影响。这种选择性的作用导致一氧化氮的排放量大幅下降，在实验的某些阶段，其降幅高达百分之七十五。尽管细菌数量很少，但抑制细菌导致气体输出如此剧烈下降的事实表明，这些稀有的微生物在产生一氧化氮方面效率极高。看起来，细菌是这种气体的强力、高产来源，而数量更多的古菌对这一特定排放的贡献则小得多。

对于一氧化二氮，情况则有所不同。虽然 DMPP 抑制剂确实减少了这种气体的释放，但效果要温和得多，降幅在几乎没有到百分之二十七之间波动。这种差异凸显了这两种气体来自土壤中不同的来源和路径。一氧化氮似乎与细菌的活动紧密相关，因此当细菌活动减缓时，气体就会停止产生。然而，一氧化二氮是由更广泛的过程产生的，包括古菌和其他抑制剂未能阻断的土壤生物的活动。由于该抑制剂仅针对其中一类特定群体，其他路径继续释放一氧化二氮，从而阻止了排放的完全停止。这一发现表明，管理一种气体并不自动意味着解决了另一种气体的难题，因为它们是由不同的生物机制驱动的。

该研究还证实，DMPP 抑制剂比另一种常见的抑制剂双氰胺更有效且持续时间更长。经过 DMPP 处理的土壤能将肥料中的氮以铵的形式保留更长时间，这对农作物是有利的，因为这意味着植物在养分流失到空气中或被冲走之前，有更多时间吸收这些养分。这种氮素保留能力的提高，结合一氧化氮的显著减少，指出了在农业中使用这种特定抑制剂的明显优势。这项研究表明，仅仅通过计算土壤中每种微生物的数量并不能预测会释放出哪些气体。相反，那些数量较少的细菌的功能性活动才是驱动一氧化氮排放的关键。这一见解为农民和科学家提供了一个新的目标：通过专注于抑制这些特定的细菌路径，或许可以在不必然影响其他气体的情况下，大幅削减一氧化氮污染，从而实现更清洁的空气和更高效的肥料利用。