Effect of nitrogen fertilisers on nitrous oxide emission, nitrifier and denitrifier abundance and bacterial diversity in closed ecological systems

Abstract

Inglés: In a 3-year microcosm study the nitrous oxide (N2O) emission from an agricultural soil amended with urea, ammonium sulphate or potassium nitrate were examined. Soil samples were taken every year to determine the soil physicochemical properties, the total abundance of bacteria, archaea, nitrifier and denitrifier communities and the changes in the structure and composition of the bacterial community. Gene abundance and biodiversity were estimated using quantitative PCR and pyrosequencing, respectively. The soils were watered weekly to reach 80% water filled pore space and varied from 80 to 62% during that time. N-fertilisation increased the abundance of bacteria and decreased that of archaea. Soils treated with ammonium or urea emitted more N2O than that amended with potassium nitrate and produced yearly increases in the abundance of nitrification genes. Also, the abundance of the denitrification genes gradually increased during the experimental period. N2O emission decreased on a yearly basis and so did the ratio of the genes involved in N2O production and reduction. A non-metric multidimensional scaling plot showed that N2O emission was positively related with the norB gene and negatively with the nosZ. The Shannon and Simpson diversity indices indicated that N-fertilisation reduced the number of operational taxonomic units (OTUs) and that the bacterial community became dominated by a small group of OTUs, respectively. N-fertilisation reduced the number of OTUs whose relative abundance was lower than 1%. We conclude that potassium nitrate reduces N2O emissions and increases the abundance of the N2O reducers. This work also shows that N-fertilisation decreases soil biodiversity and that its response depends on the type of the N-fertiliser.

Español: En un estudio de microcosmos de 3 años, se examinó la emisión de óxido nitroso (N₂O) en un suelo agrícola enmendado con urea, sulfato de amonio o nitrato de potasio. Se tomaron muestras de suelo cada año para determinar las propiedades fisicoquímicas del suelo, la abundancia total de bacterias, arqueas y comunidades de nitrificantes y desnitrificantes, así como los cambios en la estructura y composición de la comunidad bacteriana. La abundancia génica y la biodiversidad se estimaron mediante PCR cuantitativa y pirosecuenciación, respectivamente. Los suelos fueron regados semanalmente para alcanzar un 80% de espacio poroso ocupado por agua, fluctuando entre el 80% y el 62% durante el experimento. La fertilización con nitrógeno aumentó la abundancia de bacterias y redujo la de arqueas. Los suelos tratados con amonio o urea emitieron más N₂O que aquellos enmendados con nitrato de potasio y mostraron aumentos anuales en la abundancia de genes asociados a la nitrificación. Además, la abundancia de los genes de la desnitrificación aumentó gradualmente a lo largo del período experimental. Las emisiones de N₂O disminuyeron anualmente, al igual que la proporción de genes involucrados en la producción y reducción de N₂O. Un análisis de escalado multidimensional no métrico mostró que la emisión de N₂O se correlacionó positivamente con el gen norB y negativamente con el gen nosZ. Los índices de diversidad de Shannon y Simpson indicaron que la fertilización nitrogenada redujo el número de unidades taxonómicas operacionales (OTUs) y que la comunidad bacteriana pasó a estar dominada por un pequeño grupo de OTUs. La fertilización con nitrógeno redujo el número de OTUs cuya abundancia relativa era inferior al 1%. Concluimos que el nitrato de potasio reduce las emisiones de N₂O y aumenta la abundancia de microorganismos reductores de N₂O. Este estudio también demuestra que la fertilización nitrogenada disminuye la biodiversidad del suelo y que su impacto depende del tipo de fertilizante utilizado.