硝酸盐异化还原为铵（DNRA）过程降低N2O和N2排放，减少水稻土壤气态氮流失，该途径需要更多的电子供应。生物炭作为一种电子穿梭体，介导土壤中微生物驱动的氧化还原反应。中国科学院遗传与发育生物学研究所研究团队以水稻土壤为材料，探讨生物炭的电子穿梭功能是否以及如何影响水稻土中微生物的DNRA过程，在《SoilBiologyandBiochemistry》（8./Q1）发表题为“Electronshuttlepotentialofbiocharpromotesdissimilatorynitratereductiontoammoniuminpaddysoil”文章。
奥维森提供了qPCR分析服务。
研究背景
由于DNRA改善了土壤中氮的保留，因此增强DNRA对环境和农艺有益。然而，DNRA的发生率普遍低于反硝化，因为DNRA比反硝化需要更多的电子供体。生物炭作为一种电子穿梭器，促进了土壤中的电子转移和氧化还原反应，已被越来越多的报道。因此，本研究旨在调查生物炭是否以及如何增强稻田土壤中的DNRA过程。
研究方法实验材料：水稻土壤，生物炭（1g生物炭浸入50ml的5%，10%，20%和30%的H2O2中）
实验设计：
（1）实验一：生物炭对水稻土壤DNRA速率的影响
对照：10.0g新鲜过筛土；处理：将9.80g新鲜过筛土与0.20g生物炭充分混合。每种处理的混合液置于ml烧瓶中。每个处理28个烧瓶。从每个处理中随机选择4个烧瓶，测定N2O和N2排放的时间动态，在第0、4、6、11、16和21天随机选择4个重复烧瓶，测定NO3--N和NH4+-N浓度。
（2）实验二：生物炭作为电子穿梭体对DNRA的促进作用
对照：10.0g当量的新鲜过筛土放入ml烧瓶中；处理：未加H2O2处理的生物炭(BC_original)，以及制备的不同氧化程度的生物炭，分别为BC、5BC、10BC、20BC和30BC。9.8g当量的新鲜过筛土与0.20g给定的生物炭材料充分混合，并放置在ml烧瓶中。分析NO3--N和NH4+-N的浓度。
实验技术：15N示踪技术，qPCR
研究结果（1）生物炭促进DNRA速率
与对照组相比，处理组显著增加了孵育期间的NH4+-N浓度。NO3--N、N2O和N2排放浓度没有显著差异。两者之间产生的NH4+总量的差异接近于产生的15N标记的NH4+，表明土壤有机质（SOC）矿化对本研究中的NH4+产生没有影响。因此，生物炭处理下NH4+产量增加原因是生物炭的改良有效地提高了DNRA的速率。
图1NO3--N、NH4+-N、N2O、N2浓度
表1氮化合物(NO3--N、NO2--N、NH4+-N、N2O和N2)浓度及氮素平衡收支
利用15N同位素可以区分通过DNRA转化的NO3--N比例。结果表明，N2（29N2和30N2）是通过反硝化和/或厌氧氨氧化还原15NO3--N的主要产物，相当于对照和生物炭处理在孵育结束时15NO3--N还原量的65%和59%。生物炭处理在15NO3--N还原后提高了15NH4+-N的产生，表明施用生物炭可以增加通过DNRA减少的NO3--N的比例。证实了生物炭改良是刺激水稻土DNRA过程的有效策略。
图N同位素标记
（2）生物炭促进了土壤DNRA过程的基因表达和关键微生物群落所有处理中的土壤微生物群落均以变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、拟杆菌门和放线菌门为主。在nrfA型微生物群落中发现了这些相同的细菌门，这五个细菌门是DNRA细菌门，能够在厌氧条件下将NO3-转化为NH4+。生物炭处理下这些细菌门的相对丰度显著高于对照处理。结果表明，生物炭增加了具有DNRA能力的细菌的丰度。
在nrfA型微生物群落中，生物炭处理下的变形菌和放线菌的相对丰度显著高于对照，且DNRA基因（nrfA）的表达也显著高于对照处理下的表达。这些结果表明，施用生物炭促进了亲电nrfA型细菌的生长及其功能基因的表达。
图3不同处理下土壤微生物群落组成、nrfA型微生物群落组成和DNRA功能基因相对表达量
（3）生物炭对DNRA过程的促进作用与其作为电子穿梭体的功能有关
与对照处理相比，未氧化生物炭（BC处理）的添加显著提高了NH4+-N浓度，而添加电子穿梭功能减弱的生物炭（5BC、10BC和20BC）没有显著提高，甚至降低了（30BC）NH4+-N浓度。结果表明，生物炭作为电子穿梭的功能在促进水稻土DNRA过程中发挥了关键作用。
图4实验2中不同处理在孵育结束时的NO3--N和NH4+-N浓度
30%BC_H2O2生物炭的比电容仅为原始生物炭的20%左右，表明氧化后的生物炭保留电子的能力相对于原始生物炭有所降低。DNRA速率与比电容和电导率呈正相关，但与C=O官能团的相对丰度呈负相关，这支持了生物炭对水稻土中DNRA的促进作用与生物炭具有电子穿梭的功能有关的假设。
图5不同氧化程度生物炭在不同处理下的比电容以及土壤DNRA反应速率与比电容、电导率和C=O的相关性
研究结论生物炭促进了稻田土壤中DNRA速率和DNRA功能基因的表达。DNRA速率的提高是由于生物炭的电子穿梭功能，其功能增加了稻田土壤中的氮保留。