亚硒酸盐的竞争性抑制作用减轻了土壤中由反硝化作用产生的N2O排放

《SOIL BIOLOGY & BIOCHEMISTRY》：Competitive inhibition of selenite mitigated denitrification-derived N2O emission in soil

硒对土壤反硝化及N?O排放的影响机制研究显示，Se??通过竞争抑制硝酸盐还原酶活性，减缓硝酸盐向亚硝酸盐的转化，减少N?O排放并促进完全反硝化生成N?，而Se?（硒纳米颗粒）未产生显著效应。该发现为农业中硒改良策略减排N?O提供了理论依据。

　　

张丽恒|王玉斌|李月|曹云云|刘淑荣|郭彦斌|吴迪

中国科学院应用生态研究所，沈阳，110016，中国

摘要

硒（Se）与氮（N）循环之间的联系已得到广泛认可；然而，硒如何影响反硝化过程和一氧化二氮（N₂O）排放的具体机制仍不甚明了。本研究探讨了添加Se⁴⁺和Se⁰对土壤反硝化速率及气态氮损失（N₂O和N₂）的影响。在严格厌氧条件下，添加Se⁴⁺显著抑制了反硝化作用，并使N₂O的累积排放量减少了30%，同时使反硝化产物的化学计量比向N₂方向偏移。相比之下，添加SeNPs（Se⁰）并未显示出显著效果。对关键反硝化基因的分子分析表明，Se⁴⁺处理降低了基因的丰度并增加了nosZ基因的拷贝数，这暗示了硒促进了完全反硝化过程。利用模式反硝化菌Paracoccus pantotrophus进行的机制研究表明，Se⁴⁺通过竞争性抑制NO₃^-的吸收，延缓了硝酸盐（NO₃^-向亚硝酸盐（NO₂^-）的转化。这种抑制作用有效减少了N₂O的产生途径，同时促进了N₂的释放。综上所述，我们的结果阐明了硒在调节反硝化过程中的作用机制，强调了硒改良农业管理作为减少N₂O排放和提升可持续作物生产的潜在策略。

引言

一氧化二氮（N₂O）是一种强效温室气体，其100年内的全球变暖潜力是二氧化碳（CO₂的298倍，同时也是导致平流层臭氧层损耗的主要人为因素（Ravishankara等，2009年）。农业土壤是大气中N₂O排放的最大人为来源（Reay等，2012年；Tian等，2020年）。在土壤中，N₂O通过多种生物和非生物氮转化途径产生，这使得其来源的准确划分及有效缓解策略的制定变得复杂（Baggs，2011年；Butterbach-Bahl等，2013年）。近年来，同位素分析技术（如质谱法和激光光谱法）的进步提高了我们区分不同N₂O产生过程的能力，这些技术通过测量N₂O的¹⁵N分子内分布（SP）来实现。与整体同位素比值不同，SP值特定于微生物产生的途径，并且很大程度上独立于底物的同位素特征，使其成为复杂土壤环境中来源划分的可靠工具（Decock和Six，2013年；Toyoda等，2017年）。

在农田土壤中，硝化作用和反硝化作用是驱动N₂O排放的主要微生物过程，它们的相对贡献受土壤物理化学条件和管理措施的影响（Butterbach-Bahl等，2013年）。虽然硝化作用是N₂O的净来源，但反硝化作用既是N₂O的主要来源也是其汇，其作用取决于最终产物的化学计量比，即N₂O/(N₂O + N₂)比值，因为N₂O是逐步还原为N₂过程中的自由中间产物（Conthe等，2019年）。降低N₂O/(N₂O + N₂)比值的针对性农业管理措施有望减少土壤中N₂O的排放（Hiis等，2024年；Wei等，2024年）。然而，由于环境空气中N₂浓度较高，直接测量N₂排放极具挑战性，因此N₂O还原为N₂的过程仍是氮循环中理解最少的环节之一。近年来，开发了使用氦气（He）气氛的自动化培养系统，并实时监测N₂和N₂O的排放，从而能够全面评估土壤中的反硝化氮损失（Molstad等，2007年；Senbayram等，2018年）。

硒（Se）是动物和微生物必需的微量元素，在细胞氧化还原平衡和免疫反应中起着关键作用（Rayman，2012年；Mojadadi等，2021年）。近年来，富硒农业作为现代农业系统中的有前景方法受到了越来越多的关注（Wang等，2013年；Haug等，2007年）。土壤中硒的形态受pH值和氧化还原电位的影响（Dinh等，2019年；Vermeiren等，2025年），在氧化条件下主要以无机氧阴离子形式存在（硒酸根（SeO₄^2-、Se⁶⁺）和亚硒酸盐（SeO₃^2-、Se⁴⁺），而在高度还原环境中则转化为元素硒（Se⁰）或硒化物（Se^2-）（Zhu等，2009年；Fordyce，2007年；Ramady等，2014年）。据报道，细菌酶（包括亚硝酸盐还原酶（DeMoll-Decker和Macy，1993年）、亚硫酸盐还原酶（Harrison等，1984年）、氢化酶I（Yanke等，1995年）、砷酸盐还原酶（Afkar等，2003年）和延胡索酸还原酶（Li等，2014年）可促进亚硒酸盐向Se⁰的还原。值得注意的是，还原后的元素硒常常聚集形成不溶性的硒纳米颗粒（SeNPs），这些颗粒具有独特的物理化学性质，并逐渐被应用于农业中作为低毒性的硒来源（Hu等，2018年）。

土壤中的硒和氮循环通过协同的化学相互作用和相互依存的微生物过程紧密相连。具体而言，亚硒酸盐的还原可由硝酸盐还原酶介导（Reddy和Bandi，2022年），从而在双底物系统中引发这些氧阴离子之间的竞争（Li等，2024年；Sabaty等，2001年；Hunter和Kuykendall，2006年）。虽然已知硝酸盐或亚硝酸盐的可用性会影响亚硒酸盐的生物转化（Viamajala等，2006年），但硒如何调节反硝化过程的机制仍不完全清楚。

基于硒和氮氧阴离子之间的化学相似性，我们提出以下假设：（i）Se⁴⁺会通过竞争性抑制硝酸盐还原酶（NarG和NapA）的底物结合位点来抑制总反硝化速率；（ii）硒会通过增强N₂O还原酶的活性来促进最终还原步骤，从而使最终产物的化学计量比向N₂方向偏移，从而减少N₂O的排放。为了验证这些假设，我们采用了多尺度方法，结合了土壤微宇宙实验、动态流动培养和纯培养实验，特别是使用模式反硝化菌Paracoccus pantotrophus来分离复杂的土壤群落相互作用中的酶促机制。我们整合了N₂O同位素分析、功能基因定量和宏基因组测序，以揭示其背后的生理和生态机制。

土壤采集和地点信息

本研究使用的土壤采自北京上庄实验站（40°8.4’N，116°10.8’E，海拔50米）。该地区属于温带半湿润大陆性季风气候，年均气温为13.0°C（1981-2015年），年降水量在500至700毫米之间。根据中国土壤分类系统，该土壤被归类为钙质红壤-水积暗棕壤（Calcaric Ochri-Aquic Cambosol），代表了华北平原典型的农业土壤。

土壤培养实验

在Roflow实验中，在80%氦气（He）+ 20%氧气（O₂气氛条件下，N₂O和N₂的累积排放量没有表现出明显的处理差异（第一阶段）。添加Se⁴⁺最初增加了N₂O的排放量，随后逐渐减少，而添加SeNPs则表现出相反的效果，即N₂O排放量略有增加（图1a）。这与我们的初步微宇宙培养实验结果一致，该实验表明硒的添加影响了N₂O的排放。

Se⁴⁺对反硝化及其化学计量比的影响机制

在厌氧条件下，Se⁴⁺显著抑制了反硝化过程中N₂的排放（图2），同时低SP值表明细菌反硝化作用占主导地位，这表明其具有靶向抑制机制（Sutka等，2006年；Lewicka-Szczebak等，2017年；Wu等，2019年）。在早期厌氧阶段观察到SP值的波动，这可能是由于N₂还原为N₂过程中同位素分馏引起的不确定性（Mothet等，2013年）。

结论

研究表明，在厌氧条件下，硒通过竞争性抑制硝酸盐还原酶的活性，减少了N₂O的排放，并促进了N₂的完全反硝化。这些发现揭示了硒影响土壤反硝化作用的新机制，并强调了硒改良作为减少农业生态系统温室气体排放的潜在策略。

CRediT作者贡献声明

王玉斌：验证。 李月：撰写——审稿与编辑，形式分析。 张丽恒：撰写——初稿，可视化，形式分析，数据管理。 吴迪：撰写——审稿与编辑，资金获取，概念构思。 郭彦斌：撰写——审稿与编辑，资金获取，概念构思。 曹云云：验证。 刘淑荣：撰写——审稿与编辑，资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFD1500301）和国家自然科学基金（资助编号42377291；42407418）的支持。