Biochar Mitigates N2O Emission of Microbial Denitrification through Modulating Carbon Metabolism and Allocation of Reducing Power

生物炭 氧化亚氮还原酶 反硝化细菌 脱氮副球菌 反硝化 亚硝酸盐还原酶 好氧反硝化 硝酸还原酶 氮气循环 环境化学 化学 新陈代谢 生物化学 氮气 热解 有机化学
作者
Yu Zhang,Zheng-Zhe Zhang,Yinguang Chen
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (12): 8068-8078 被引量:70
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c01976
摘要

To elucidate the direct effects of biochar on denitrification metabolism at the cellular level, the global response of model denitrifying soil bacterium (Paracoccus denitrificans) to biochar addition was investigated by physiological, proteomic, and metabolomics analyses. The enhancement effect on denitrification was positively correlated with its pyrolysis temperatures (300–500 °C) and dosages (0.1–1%), regardless of precursors [corn straw (CS) or wheat straw). Moreover, the stimulating effect of CS biochar made at 500 °C (CS-500) was mainly attributed to the bulk particles rather than the released soluble compounds. Without direct contact with cells, bulk CS-500 particles might directly modulate the carbon metabolism by the adsorption of extracellular metabolites. Since carbon flux to storage was shifted to oxidative catabolism and growth assimilation, more share of the produced reducing power was used for nitrogen reduction. Meanwhile, except for nitrate reductase, both protein expressions and enzyme activities of nitrite reductase, nitric oxide reductase, and nitrous oxide reductase were up-regulated. Accordingly, the accumulation of N2O was reduced by 98% due to the optimized electron distribution among denitrifying enzymes. Eventually, the growth rate of Pc. denitrificans enhanced because of the improved energy utilization efficiency. These results updated the regulation mechanism of biochar on denitrification metabolism and N2O mitigation.
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