新鮮な農地堆肥は生存微生物を土壌に導入するか、土壌に生息する微生物相を活性化するか？

第294巻 2021年9月15日 113018号
新鮮な農地堆肥は生存微生物を土壌に導入するか、土壌に生息する微生物相を活性化するか？

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S030147972101080X

著者リンクオーバーレイパネルMikhail V. Semenov a, George S. Krasnov b, Vyacheslav M. Semenov c d, Natalia Ksenofontova a, Natalia B. Zinyakova c, Ariena H.C. van Bruggen e
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引用元
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.113018Get 権利と内容
要旨
土壌への堆肥投入は、土壌微生物群集に強い影響を与え、微生物の多様性と活性を変化させる。これらの影響は、主に糞尿とともに導入された微生物の生存によって引き起こされるのか、それとも土壌中のマイクロバイオームの活性化によって引き起こされるのかは、まだ明らかでない。ここでは、新鮮な農耕牛の糞尿を導入した後、土壌微生物相がどのように変化し、糞尿に由来するどの微生物が土壌中で生存しているかを調査しました。糞尿の添加により、土壌微生物のバイオマス、遺伝子コピー数、呼吸活性、多様性が強く増加した。ハイスループット配列解析により、施肥土壌における微生物多様性の増加は、主に、施肥していない土壌ではほとんどマイナーな分類群であった113の土壌由来微生物属の活性化によってもたらされることが示された。肥料投入2週間後には、肥料に関連する属の78％が検出されなくなった。また、肥料由来の原核生物237属のうち、144日間土壌中で生存していたのは15属のみで、そのうち8属（主にClostridia属の代表）だけが冬以降の肥料土壌で検出されました。したがって、肥料投入後の微生物量と多様性の増加は、主に土壌由来の微生物群集の活性化によってもたらされるが、肥料由来の外来微生物の多くは、数ヶ月後には土壌条件下で生き残ることはない。

図解抄録
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はじめに
現代のグローバルな課題として、農業は集約的で栄養価の高い十分な食料と所得を提供するだけでなく、持続可能であることが求められています。つまり、集約的な農業は、気候変動や人為的ストレスに強い土壌の生物多様性と健全性を促進しながら、高い生産性を実現しようと努めるものです（van Bruggen et al., 2019）。有機および無機改良材による施肥は、植物の栄養、ひいては作物の生産性を向上させるための一般的な集約的農業実践である。肥料による施肥は、一般的に、土壌栄養状態（Hartmannら、2015；Liuら、2020）および有機物含有量（Francioliら、2016；Liuら、2020）を高めることによって土壌肥沃度を改善する。肥料の適用により、土壌微生物のバイオマス（Esperschütz et al., 2011; Francioli et al., 2016; van Diepeningen et al., 2006）、微生物の多様性（Gu et al., 2019; Guo et al., 2020; Hartmann et al., 2015; Semenov et al., 2020）および活性（Ai et al., 2018; Das et al., 2017; Wu et al., 2020）は高まる。一方、糞尿の施用に関する主な懸念は、土壌や水の富栄養化や微生物汚染に寄与する可能性があることです（Francioli et al., 2016; Pandey et al., 2018; Semenov et al., 2007; Unc and Goss, 2004）。未処理の糞尿には、病原体を含む広範な微生物集団が含まれており、植物の汚染を引き起こし、人間や動物の健康にリスクをもたらす可能性がある（Franz et al., 2008a; Pandey et al., 2018; van Bruggen et al., 2019）。
土壌の生態系は通常、流入する微生物に対する緩衝材として機能する。糞尿に由来する病原体による微生物汚染は、土壌環境における糞尿マイクロバイオームの生存に直接関係する。生物学的要因（温度、土壌タイプ、土壌水分、pH、栄養利用可能性）と生物学的要因（植物や植物の根との相互作用、原生動物捕食者、土壌ニッチに対する在来微生物群集との競合）の両方が、土壌生息域に導入された微生物の生存能力に影響を与える（Garciaら、2010； Holleyら、2006； Hrubyら、2018； Liangら、2011； Semenovら、2007； van Veenら、1997； Youら、2006）。また、糞尿関連微生物自体の競争的な腐敗能力も、土壌中での生存に影響する（Garrett, 1950; Naar and Kecskés, 1998）。牛のマイクロバイオームは主に腸内細菌叢から構成されており、これらの微生物の多くは土壌環境では競争力が弱く、土壌と腸の環境条件の違いにより生存できない可能性がある。とはいえ、腸内属の中には、糞尿混じりの土壌で長期間生存できるものもある。糞尿混合土壌での大腸菌O157:H7の生存期間は、数週間から6ヶ月以上、サルモネラ菌は2ヶ月以上と報告されています（Franz et al., 2008a; Johannessen et al., 2005; Nicholson et al.） 堆肥の施用により、土壌微生物のバイオマスや検出された微生物分類群の数が少なくとも一時的に増加することから、これらの増加は、外因性の腸内微生物の土壌への導入と生存に起因していると考えられる。
また、糞尿の改良は、これらの余分な栄養素がなければ貧栄養環境とみなされる土壌に、大量の利用可能な炭素源やその他の栄養素を供給する（Senechkin et al., 2010; Van Elsas and van Overbeek, 1993）。活性微生物は、利用しやすい基質がない土壌では、微生物バイオマス全体の約0.1～2％を占めるに過ぎないが、潜在的に活性な微生物の割合ははるかに高く、10～60％を占める（Blagodatskaya and Kuzyakov、2013）。糞尿の改良によって、基質の追加投入に素早く反応する多くのマイナーな潜在的活性微生物が活性化する可能性がある（He et al.、2012；Zelenev et al.、2006）。したがって、生存している腸内微生物の導入と、容易に利用できる基質による典型的な土壌微生物の活性化は、土壌微生物のバイオマスおよび多様性の増加を説明する2つのメカニズムとして提案されています。先行研究では、施肥土壌の微生物群集のみを考慮し、施肥マイクロバイオーム自体を分析していないため、有力なメカニズムの特定はまだ行われていない（Francioli et al., 2016; Guo et al., 2020; Hartmann et al., 2015）。
本研究では、堆肥投入後の土壌微生物バイオマスや多様性の増加が、主に堆肥で導入した微生物の生存によるものなのか、土壌由来のマイクロバイオームの活性化によるものなのかを確認することを目的とした。具体的には、(1)新鮮な農耕牛の糞尿を投入した後、土壌微生物群の構造や活性がどのように変化しているか、(2)糞尿由来のどの微生物が異なる期間（2週間から1年間）土壌中で生存しているかを調査しました。この目的のため、長期マイクロプロット実験内の2つのプロット（無肥料土壌と毎年肥料を与える土壌）から、新鮮な牛糞と土壌サンプルを50 t ha-1の新鮮な牛糞を組み込む4週間前と2、9、15、21週間後に収集した。基質誘導呼吸（SIR）と基礎呼吸（BR）を測定し、糞尿投入による微生物バイオマスおよび活性の変化を評価した。RT-PCRとイルミナMiSeqアンプリコンシーケンスを用いて、全微生物（DNA）および潜在的活性（RNA）コミュニティ構造を分析した。我々は、両方の要因（堆肥による外来微生物の導入と土壌に生息する微生物群の活性化）によって、堆肥を土壌に導入した後の初期段階では土壌微生物のバイオマスや多様性が増加するが、導入した微生物の役割は時間の経過とともに減少すると仮定した。
セクションスニペット
堆肥の説明
2019年5月20日、モスクワの南120kmに位置する酪農場から、糞塊、尿、藁を含む新鮮な高繊維牛糞（100kg）を採取しました。サンプリング前、牛にはトウモロコシサイレージ、大麦および小麦の藁、ならびに混合牧草乾草（アルファルファ、チモシーグラス、クローバー、ベッチ・オート混合）を与えていた。牛に与える飼料は、グリホサートを散布していない自家農園で栽培したものです。糞尿は、採取後すぐに長期実験圃場に運ばれ、その後、牛の糞尿を採取しました。
牛糞のマイクロバイオーム組成
糞尿中の古細菌の存在量は、9.6 ± 0.8 × 109 遺伝子コピー g-1、細菌 -2.5 ± 0.25 × 1011 遺伝子コピー g-1、真菌 -2.1 ± 0.2 × 109 遺伝子コピー g-1 乾物（図1）であることがわかった。細菌の遺伝子転写コピー数は、遺伝子コピー数の70倍（3.6 ± 0.36 × 109コピーg-1乾物）であった。合計で237の原核生物属（17門に属する25クラス）と66の真菌属（4門に属する16クラス）が同定された（Fig.1）。アクチノバクテリア（DNAで13.2％、菌糸で4.3％）は、哺乳類で最も多い。
新鮮な牛糞堆肥のマイクロバイオームではグラム陽性菌が優勢である
これまでの研究の多くは、糞尿マイクロバイオームにおける個々の代表者の生態に焦点を当て、主にグラム陰性菌であるEscherichiaやSalmonellaなどのヒト病原体を対象としていました（Franz et al., 2008b; Garcia et al., 2010; Hruby et al., 2018; Liang et al., 2011; Semenov et al., 2007）．本研究では、糞尿マイクロバイオームにおけるグラム陰性菌内の2つの支配的なクラスは、BacteroidiaとGammaproteobacteriaでした。これらのグループは、典型的なコピオトロフとして知られている（Fierer et al.
クレジットの著者声明
Mikhail Semenov: 原稿執筆、調査、概念化、方法論、可視化、プロジェクト管理、資金獲得 George Krasnov: ソフトウェア、形式分析、可視化 Vyacheslav Semenov: 概念化、資源、監督 Natalia Ksenofontova: 調査（DNAおよびRNA抽出） Natalia Zinyakova資源（ふん尿） Ariena van Bruggen： 執筆-校閲・編集、監修。
競合する利益の宣言
著者らは、本論文で報告された研究に影響を及ぼすと思われる競合する金銭的利益や個人的関係がないことを宣言する。
謝辞
土壌サンプリング、核酸抽出、qPCR、NGS、バイオインフォマティクスは、ロシア基礎研究財団、プロジェクト番号19-04-00315の支援を受けた。土壌微生物バイオマスおよび有機炭素含有量の評価は、政府補助金「ロシアの農業生態系における土壌炭素の安定性と機能（CarboRus）」、プロジェクト番号075-15-2021-610の資金援助を受けている。マイクロプロット実験は、政府割り当ての枠組みで行われ、登録番号121040800126-5である。
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引用元: (36)
飼料生産土壌への肥料の反復投入は、微生物バイオマスと多様性を増加させ、より存在度の低い属を選択する
2023年、農業、生態系、環境
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過酸化亜鉛ナノ粒子（nZnO<inf>2</inf>）に曝露した農業用土壌の細菌群集の分類学的および機能的多様性
2023, 応用土壌生態学
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有機肥料は極端な干ばつ下での土壌微生物群集の抵抗力と回復力を高める
2023年、ジャーナル・オブ・アドバンスド・リサーチ
引用抜粋：
NOFにおける回復の遅れのダイナミクスは、有機肥料の投入により、比較的遅い成長速度を持ち、土壌微生物群集の回復パターンを緩やかにする重要な役割を果たすK-ストラテジスト集団が増加することで説明できる [61] 。多くの侵入微生物は土壌中で長期間生存しないため[62]、これらの微生物はNOFによって土壌微生物群の中で促進されたものであり、肥料によってもたらされたものではないと我々は考えています。本研究におけるNOFコミュニティの回復パターン（図6）は、生態系の回復が複雑で多段階のプロセスであり、森林や腸の二次遷移で見られることをさらに確認した[63,64]。
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ドキシサイクリン配合の糞尿微生物が土壌プラスチックのバイオフィルム形成を促進し、マイクロプラスチックビークルの表面バイオリスクを増加させることがわかった
2023年、化学工学ジャーナル
引用抜粋：
本研究では、すべてのサンプリング日に採取されたMPのバイオフィルム濃度が、肥料併用群（F、L、H）は、肥料併用なし群（T）に比べて有意に高いことが示された（図2B）。この主な理由は、鶏糞がMPのバイオフィルム形成をサポートする豊富な微生物と栄養を提供したためであると考えられる[50]。また、土壌MPのバイオフィルム濃度は、特にF群で経時的に増加した。L群およびH群のデータ（図2A）から、この現象はDOXストレスと関連している可能性がある。
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農業残渣の長期返送は土壌微生物-線虫ネットワークの複雑性と生態系多機能性を高める
2023年、ジオデルマ
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オアシス小麦畑における有機肥料代替は過マンガン酸酸化性炭素画分の変質を制御することで土壌有機炭素吸収を促進する
2023年、カテナ
引用抜粋：
これは、有機肥料と無機肥料の組み合わせでOFSを使用することで、有機肥料からの養分や不安定な有機Cの放出が促進され、微生物の活動や繁殖が促進されるためと考えられる。その上、微生物は有機物の分解（作物残渣やリターなど）を促進し、より多くの不安定な有機C（KOCやMBCなど）を放出します（Limaら、2009；Chenら、2018；Semenovら、2021）。同様に、他の研究では、有機肥料の施用がSCFと比較してラビイルCプールを直接改善すること、または微生物活性を高めることによって植物残渣のラビイル有機C形態への変換に間接的に影響を与えることが報告されています（Whalen et al., 2014; Li et al., 2020a）。
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