电化学调控的双重机制用于减少土壤中的一氧化二氮排放：微生物的招募与电子转移路径的优化

《Bioresource Technology》：Dual mechanism of electrochemical regulation to reduce soil Nitrous Oxide emissions-microbial recruitment and electron transfer pathway optimization

电化学调控通过优化红ox电位和重构微生物群落显著减少农业氮肥中的N?O排放，在硫酸铵和尿素处理中分别降低11.9%和14.2%，促进Pseudomonas等电化学自养菌增殖及norC、nirD等关键基因表达上调。

　　

李玉峰|康璐兰|秦向阳|费仁|卢安翔|何启双

北京农林科学院质量标准与检测技术研究所，中国农业产品生产区环境监测重点实验室，北京100097，中国

摘要

农业氮循环产生的温室气体排放，主要是氧化亚氮（N₂O），与肥料动态密切相关。传统的缓解策略强调减少合成肥料的使用，但存在效率低下和缺乏可持续性的问题。本研究介绍了一种电化学调控方法，并通过对比分析两种肥料（硫酸铵与尿素），阐明了双重机制（氧化还原调节和微生物群落工程）。主要发现：（1）500 mV的电刺激丰富了硝化还原微生物群，通过增强反硝化作用，使N₂O减少了11.9 ± 5.9%（硫酸铵）和14.2 ± 4.4%（尿素）；（2）电极干预通过优化氧化还原通量和提高电自养Pseudomonas属菌的活性，加速了N₂O向N₂的转化（分别减少了15.8 ± 1.4%和14.9 ± 8.9%）；（3）由于酰胺氮的水解动力学较慢，尿素表现出延迟的电响应性（滞后6–10小时）；（4）宏基因组学证实氮代谢基因（norC：2.9倍，nirD：2.7倍，narI：2.6倍）上调，以及微生物网络的重构。本研究揭示了一种基本的电-微生物机制，该机制重新配置了氮转化网络，为管理土壤生物地球化学循环提供了新的范式。

引言

作为第三大强效的持久性温室气体，N₂O的百年全球变暖潜能是CO₂的265–298倍。到2020年，全球N₂O排放量已超过17.0 Tg N，其中54–76%来自人为活动（Tian等人，2024年）。农业生态系统已成为最大的人为来源，主要是由于合成氮肥的使用——其硝化-反硝化过程占人为N₂O排放量的60–70%（Cui等人，2022年）。这种“氮肥悖论”（即提高产量同时加剧气候变化）突显了重构农田氮循环和开发现场N₂O缓解技术的必要性。

目前对肥料诱导的N₂O排放的调控主要采用化学和生物学途径，但可持续性和生态兼容性仍具有挑战性。有机肥料替代是一种常见策略。在Liu等人的研究中（2020年），三种粪肥（鸡粪、牛粪、猪粪）替代了尿素作为基础肥料。所有这些粪肥的C/N比均超过19，其中鸡粪的效果最好——每年减少了49.0%的N₂O排放。然而，其缓慢的矿化过程常常在作物关键生长阶段导致氮素短缺。Jiang等人（2025年）报告称，在较低的C/N比下玉米产量更高。虽然硝化/反硝化抑制剂可以将N₂O排放量减少63.6%，但它们严重破坏了氨氧化菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的群落：在不影响AOA丰度的情况下，抑制剂分别使AOB的丰度和转录组水平降低了56.7%和95.3%（Yin等人，2023年）。这与农业绿色发展的“零化学添加剂增长”目标相矛盾。

从生物学角度来看，通过微氧条件（DO 0.2–0.8 mg/L）和电子供体调节（例如醋酸钠）选择携带nosZ簇的反硝化菌（例如Pseudomonas、Paracoccus），可以将N₂O→N₂的转化率提高近25%（Fudjoe等人，2023年）。然而，在酸性土壤中，以Proteobacteria为主的群落会失去活性，而缺乏nosZ的非典型反硝化菌（例如Actinobacteria）可能会增加N₂O排放。实现“减排、稳定产量和生态平衡”需要超越化学依赖，转向低干扰、生物增强的物理-生物调控系统（Maxwell等人，2020年）。

电化学N₂O分解在水生环境中显示出潜力。例如，质子交换膜（PEM）电催化系统通过阳极-阴极协同作用，将废水/尾气中的N₂O还原率提高了22.1%，将N₂O完全转化为N₂和水（Baek等人，2018年）。然而，农业土壤的导电性通常低于1 mS/cm（而PEM的导电性超过100 mS/cm），并且存在“电子冲击”效应，土壤胶体保留了83%的自由电子（Liu等人，2024年）。因此，开发了生物炭介导的土壤电子工程，将稻田N₂O通量减少了41 ± 5%。然而，生物炭的制备过程能耗高，会导致孔隙堵塞，并且仍然会对环境造成危害。

石墨电极凭借其电子传递能力和微生物兼容性，正在改变农业环境工程的范式。Guan等人（2019年）表明，在土壤厌氧微环境中，Pseudomonas aeruginosa PAO1通过细胞外电子传递将代谢电子转移到石墨电极上，绕过了传统反硝化过程对水溶性受体（例如NO₃^?）的需求。这种电极-微生物共生形成了一个生物膜，提高了土壤溶液中的电子流动性，并为微生物电化学提供了平台。通过结合导电网络构建和微生物代谢重塑，石墨电极提供了更好的环境兼容性（使用寿命超过5年），为现场土壤电子工程提供了最佳解决方案。

本研究旨在阐明电子通量的变化如何通过石墨电极介导的土壤电化学调控优化氮循环，并揭示N₂O缓解背后的电-微生物机制。实验提出了以下假设：（1）电极干预重塑了微生物群落，丰富了特定的电自养氮循环菌类；（2）施加的电位引导电子流动，有利于完全反硝化而不是N₂O的产生；（3）微生物招募与电子传输优化之间的协同作用是建立高效N₂O还原框架的关键。

实验地点和材料

实验在北京的一个温室中进行。实验土壤样本取自北京平谷区的一个特定地点（116° 59′ 42.81684″ E, 40° 17′ 22.231608″ N），该地区具有温带大陆性季风气候和沙质壤土质地。土壤样本通过2毫米筛网过滤以去除可见的根碎片和粗大杂物，然后风干并储存以备后续使用。

实验容器由一个泡沫箱组成，内部...

氧化亚氮的排放和土壤的物理化学性质

对土壤N₂O通量时间动态的分析（图1A）显示，所有处理组的排放通量都呈时间依赖性的下降趋势。CK对照组表明，在没有外部氮添加的情况下，硝化菌活性的抑制和N₂O通量减少了4.4%。然而，这一速率在实验开始8小时后下降并逐渐稳定。氮输入处理（N和U）在初期迅速抑制了硝化作用...

结论

总之，这项工作表明，电化学调控通过微生物群落工程和电子传输路径优化的协同作用有效缓解了土壤中的氧化亚氮排放。具体来说，NE处理（硫酸铵与电极结合）通过简化土壤氮循环过程、丰富功能性反硝化菌Lacibacter以及促进功能性基因的表达，有助于减轻氧化亚氮的排放。

未引用的参考文献

Xi等人（2022年）。

CRediT作者贡献声明

李玉峰：撰写——原始草案、可视化、方法论、研究。康璐兰：撰写——原始草案、方法论、研究、数据管理。秦向阳：撰写——审稿与编辑、概念化。费仁：卢安翔：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念化。何启双：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了北京市农林科学院科技创新能力建设项目（KJCX20230219）和中国农业研究系统（CARS-30）的财政支持。我们感谢Baimaike Biologicals的支持，以及CNSknowall和BioRender在图形制作方面的协助。