Ảnh hưởng của CO2 khí quyển gia tăng đến quá trình chuyển hóa carbon và nitơ, cũng như cộng đồng vi sinh vật trong môi trường ngập nước tái tạo

Dawei Jiang1, Lifei Chen1, Nan Xia1,2, Eyram Norgbey3, Desmond Ato Koomson3, Williams Kweku Darkwah3
1College of Horticulture, Jilin Agricultural University, Changchun, China
2Jilin Tiandiren Landscape Architecture Design Engineering Co. Ltd., Changchun, China
3Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lakes, Ministry of Education, Environmental Engi neering Department, College of Environment, Hohai University, Nanjing, China

Tóm tắt

Tóm tắt Đặt vấn đề CO2 trong khí quyển gia tăng có ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến các quá trình sinh thái. Ảnh hưởng của nồng độ CO2 gia tăng trong khí quyển đến quá trình chuyển hóa carbon và nitơ, cùng với cộng đồng vi sinh vật, đã được đánh giá bằng cả thủy liễu (Eichhornia crassipes) trong một buồng mở tái tạo môi trường ngập nước. Phản ứng của các bể carbon và nitơ trong nước và trong đất ngập nước, cũng như sự phong phú của cộng đồng vi sinh vật đã được nghiên cứu dưới điều kiện CO2 thông thường và CO2 gia tăng (CO2 thông thường + 200 μL L−1). Kết quả Tổng biomass của toàn bộ cây dưới điều kiện CO2 gia tăng tăng trung bình 8% (p = 0.022). Các khu ngập nước có thủy liễu cho thấy sự gia tăng đáng kể về tổng carbon và tổng carbon hữu cơ trong nước lần lượt là 7% (p = 0.001) và 21% (p = 0.001) dưới điều kiện CO2 gia tăng so với đó của CO2 thông thường. Sự gia tăng carbon hòa tan trong nước tương đồng với sự hiện diện của cây ngập nước vì thủy liễu có thể trao đổi trực tiếp CO2 từ khí quyển sang nước qua lớp biểu bì trên cùng của lá. Hơn nữa, việc gia tăng CO2 cũng cho thấy sự gia tăng tổng carbon và nồng độ tổng carbon hữu cơ trong đất ngập nước lần lượt là 3% (p = 0.344) và 6% (p = 0.008). Tổng lượng nitơ trong nước tăng 26% (p = 0.0001), trong khi tổng nitơ trong bể đất ngập nước dưới sự gia tăng CO2 giảm 9% (p = 0.011) do sự gia tăng sự phong phú của cộng đồng vi sinh vật đất, được chiết xuất bằng axit béo phospholipid, có số lượng lớn hơn 25% so với phương pháp điều trị thông thường. Kết luận Nghiên cứu đã chỉ ra rằng CO2 gia tăng sẽ ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa carbon và nitơ trong cây ngập nước, nước và bể đất, cũng như gia tăng sự phong phú của cộng đồng vi sinh vật trong đất.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Balser TC, Firestone MK (2005) Linking microbial community composition and soil processes in a California annual grassland and mixed-conifer forest. Biogeochemistry 73(2):395–415

Barnard R, Leadley PW, Lensi R, Barthes L (2005) Plant, soil microbial and soil inorganic nitrogen responses to elevated CO2: a study in microcosms of Holcus lanatus. Acta Oecol 27(3):171–178

Brym A, Paerl HW, Montgomery MT, Handsel LT, Ziervogel K, Osburn CL (2014) Optical and chemical characterization of base-extracted particulate organic matter in coastal marine environments. Mar Chem 162:96–113

Chang CM (2019) Rationalization and prediction of the impact of different metals and root exudates on carbon dioxide emission from soil. Sci Total Environ 691:348–359

Conthe M et al (2019) Denitrification as an N2O sink. Water Res 151:381–387

Fan F, Zhang B, Morrill PL (2017) Phospholipid fatty acid (PLFA) analysis for profiling microbial communities in offshore produced water. Mar Pollut Bull 122(1–2):194–206

Fraterrigo JM, Balser TC, Turner MG (2006) Microbial community variation and its relationship with nitrogen mineralization in historically altered forests. Ecology 87(3):570–579

Frostegård A, Bååth E (1996) The use of phospholipid fatty acid analysis to estimate bacterial and fungal biomass in soil. Biol Fertil Soils 22(1–2):59–65

Gao J, Song Z, Liu Y (2019) Response mechanisms of leaf nutrients of endangered plant (Acer catalpifolium) to environmental factors varied at different growth stages. Glob Ecol Conserv 17:e00521

Gorman-Lewis D, Martens-Habbena W, Stahl DA (2019) Cu(II) adsorption onto ammonia-oxidizing bacteria and archaea. Geochim Cosmochim Acta 255:127–143

Guo W, Jia G, Ye F, Xiao H, Zhang Z (2019) Lipid biomarkers in suspended particulate matter and surface sediments in the Pearl River estuary, a subtropical estuary in southern China. Sci Total Environ 646:416–426

Hu S, Chapin FS, Firestone MK, Field CB, Chiariello NR (2001) Nitrogen limitation of microbial decomposition in a grassland under elevated CO2. Nature 409(6817):188–191

Hungate BA (1999) Ecosystem responses to rising atmospheric CO2. In: Luo Y, Mooney HA, eds. Carbon Dioxide and Environmental Stress.  Academic Press, San Diego, pp 265–285

James RT, Martin J, Wool T, Wang PF (1997) A sediment resuspension and water quality model of Lake Okeechobee. J Am Water Resour Assoc 33(3):661–678

Jensen HS, Andersen FO (1992) Importance of temperature, nitrate, and pH for phosphate release from aerobic sediments of four shallow, eutrophic lakes. Limnol Oceanogr 37(3):577–589

Jinbo Z, Changchun S, Shenmin W (2007) Dynamics of soil organic carbon and its fractions after abandonment of cultivated wetlands in Northeast China. Soil Tillage Res 96(1–2):350–360

Kang H, Kim SY, Fenner N, Freeman C (2005) Shifts of soil enzyme activities in wetlands exposed to elevated CO2. Sci Total Environ 337(1–3):207–212

Kelly JJ, Peterson E, Winkelman J, Walter TJ, Rier ST, Tuchman NC (2013) Elevated atmospheric CO2 impacts abundance and diversity of nitrogen cycling dunctional genes in soil. Microb Ecol 65(2):394–404

Laut L et al (2020) Organic matter compounds as a tool for trophic state characterization in a hypersaline environment: Araruama lagoon, Brazil. J S Am Earth Sci 97:102403

Li X, Fan F, Zhang B, Zhang K, Chen B (2018) Biosurfactant enhanced soil bioremediation of petroleum hydrocarbons: design of experiments (DOE) based system optimization and phospholipid fatty acid (PLFA) based microbial community analysis. Int Biodeterior Biodegrad 132:216–225

Lipson D, Näsholm T (2001) The unexpected versatility of plants: organic nitrogen use and availability in terrestrial ecosystems. Oecologia 128(3):305–316

Liu J, Appiah-Sefah G, Apreku TO (2018) Effects of elevated atmospheric CO2 and nitrogen fertilization on nitrogen cycling in experimental riparian wetlands. Water Sci Eng 11(1):39–45

Madsen TV, Sandjensen K (1994) The interactive effects of light and inorganic carbon on aquatic plant growth. Plant Cell Environ 17(8):955–962

Maltais-Landry G, Maranger R, Brisson J, Chazarenc F (2009) Greenhouse gas production and efficiency of planted and artificially aerated constructed wetlands. Environ Pollut 157(3):748–754

Mikan CJ, Zak DR, Kubiske ME, Pregitzer KS (2000) Combined effects of atmospheric CO2 and N availability on the belowground carbon and nitrogen dynamics of aspen mesocosms. Oecologia 124(3):432–445

Niklaus PA, Spinnler D, Körner C (1998) Soil moisture dynamics of calcareous grassland under elevated CO2. Oecologia 117(1–2):201–208

Nord EA, Jaramillo RE, Lynch JP (2015) Response to elevated CO2 in the temperate C3 grass Festuca arundinaceae across a wide range of soils. Front Plant Sci 6:96

Pang D et al (2019) Responses of soil labile organic carbon fractions and stocks to different vegetation restoration strategies in degraded karst ecosystems of Southwest China. Ecol Eng 138:391–402

Satake K, Shimura S (1983) Carbon dioxide assimilation from air and water by duckweed Spirodela polyrrhiza (L.) Schleid. Hydrobiologia 107(1):51–55

Satoh H, Nakamura Y, Okabe S (2007) Influences of infaunal burrows on the community structure and activity of ammonia-oxidizing bacteria in intertidal sediments. Appl Environ Microbiol 73(4):1341–1348

Smolander A, Kitunen V (2002) Soil microbial activities and characteristics of dissolved organic C and N in relation to tree species. Soil Biol Biochem 34(5):651–660

Song L, Wu J, Li C, Li F, Peng S, Chen B (2009) Different responses of invasive and native species to elevated CO2 concentration. Acta Oecol 35(1):128–135

Sowerby A, Blum H, Gray TRG, Ball AS (2000) The decomposition of Lolium perenne in soils exposed to elevated CO2: comparisons of mass loss of litter with soil respiration and soil microbial biomass. Soil Biol Biochem 32(10):1359–1366

Tzanakakis VA, Taylor AE, Bakken LR, Bottomley PJ, Myrold DD, Dörsch P (2019) Relative activity of ammonia oxidizing archaea and bacteria determine nitrification-dependent N2O emissions in Oregon forest soils. Soil Biol Biochem 139:107612

Walter BP, Heimann M (2000) A process-based, climate-sensitive model to derive methane emissions from natural wetlands: application to five wetland sites, sensitivity to model parameters, and climate. Glob Biogeochem Cycles 14(3):745–765

Wang J, Zhu T, Ni H, Zhong H, Fu X, Wang J (2013) Effects of elevated CO2 and nitrogen deposition on ecosystem carbon fluxes on the Sanjiang plain wetland in Northeast China. PLoS One 8:e66563

Wrage N, Velthof GL, Van Beusichem ML, Oenema O (2001) Role of nitrifier denitrification in the production of nitrous oxide. Soil Biol Biochem 33:1723–1732

Xing W, Wang Y, Hao T, He Z, Jia F, Yao H (2020) pH control and microbial community analysis with HCl or CO2 addition in H-2-based autotrophic denitrification. Water Res 168:115200

Yang S et al (2019) Long-term elevated CO2 shifts composition of soil microbial communities in a Californian annual grassland, reducing growth and N utilization potentials. Sci Total Environ 652:1474–1481

Yu T, Chen Y (2019) Effects of elevated carbon dioxide on environmental microbes and its mechanisms: a review. Sci Total Environ 655:865–879

Zhang H, Wang L, Li Y, Wang P, Wang C (2019a) Background nutrients and bacterial community evolution determine 13C-17β-estradiol mineralization in lake sediment microcosms. Sci Total Environ 651:2304–2311

Zhang W, Zhang H, Jian S, Liu N (2019b) Tree plantations influence the abundance of ammonia-oxidizing bacteria in the soils of a coral island. Appl Soil Ecol 138:220–222

Zhao G, Liu J, Wang Y, Dou J, Dong X (2009) Effects of elevated CO2 concentration and nitrogen supply on biomass and active carbon of freshwater marsh after two growing seasons in Sanjiang plain, Northeast China. J Environ Sci 21(10):1393–1399