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※一部、英文及び仏文を自動翻訳した日本語訳を使用しています。
序章
ISO/TS 20131 シリーズは、土壌の脱窒に関する実験室での簡単な評価を示しています。脱窒は N 2 O 排出のプロセス源です。
- 科学的背景
脱窒は、窒素が大気に戻る主なプロセスです。このプロセスは、硝酸塩から亜硝酸塩への還元に対応し、次にガス状、一酸化窒素、亜酸化窒素、二窒素への還元に対応します。土壌 (自然および人為的) は、脱窒および亜酸化窒素排出の重要な発生源です。一般に、土壌脱窒には微生物触媒作用が関与します。脱窒は、嫌気呼吸中に窒素酸化物が電子の受容体として作用する微生物プロセスです。脱窒プロセスの各ステップは、特定の酵素によって触媒されます。脱窒は、窒素循環と炭素循環をつなぐプロセスとして知られています。脱窒プロセス中に、土壌有機化合物は電子の供与体として機能する可能性があります。図 1 を参照してください。
図 1 —脱窒プロセスの説明
野外規模での土壌の脱窒プロセスの研究には、さまざまな懸念があります。農業生産のための窒素の損失を制限するための窒素循環の理解、硝酸塩や亜硝酸塩などの水の汚染物質の運命の理解、大気汚染物質の生産と運命の理解NO や N 2 O など。土壌中の脱窒に関する知識も、生物地球化学サイクルと地球規模の変化のグローバルなアプローチに必要です。脱窒も微生物生態学の興味深いモデルを構成します。
主に脱窒プロセス中に生成されるガス状の亜酸化窒素 (N 2 O) は、単位質量または分子あたりの放射強制力が高い温室効果ガスであり、100% の二酸化炭素 (CO 2 ) よりも 296 倍高いと推定されます。年代[1] .亜酸化窒素は、オゾン層の破壊にも関与しています[2] 。 N 2 O 濃度は、産業革命前の 270 ppb から 2016 年の値 328 ppb に上昇しました。地球規模では、亜酸化窒素は放射強制力の 6% に寄与すると推定されています。この温室効果ガスの主な発生源は、農業用および天然の土壌です[3] 。
土壌は、N 2 O の供給源と吸収源の両方として機能します。しかし、地球規模では、N 2 O の排出が吸収源の活動を支配しています。土壌中の N 2 O の生成と消費には、主に生物プロセスが関与しています。多数の微生物グループが N 2 O の生成と消費に関与していますが、生物学的脱窒が関与する主要なプロセスであると考えられています。脱窒の最後のステップのみが、N 2 O の重要な生物学的消費運命として認識されています。これには、アセチレン分圧の上昇によって阻害される N 2Oレダクターゼ酵素活性が関与しています[4] 。
- 方法論的背景
土壌中の脱窒の直接測定は、大気中で生成された N 2がすぐに希釈され、空間的および時間的変動性が高いため、費用がかかり、時間がかかり、労働集約的です。これまでのところ、現場での脱窒を理解するのに十分ではない場合でも、簡単な実験室での実験は、土壌の脱窒を最もよく理解し、土壌の亜酸化窒素排出を評価するのに役立ちます。これらの実験室試験の結果の一般的な用途を見つけるには、厳密に標準化された条件でそれらを実行することが不可欠であると思われます.
ISO/TS 20131 シリーズには、以前にピア レビューされたジャーナルに掲載された 2 つのテストが含まれており、土壌科学に関与するほとんどの研究および分析ラボがアクセスできます。どちらもふるいにかけた土で行うため、非常に簡単に行うことができ、幅広い土に使用できます。
ISO/TS 20131 シリーズの最初の部分 (この文書) は、土壌中の脱窒酵素活性を評価するための一般的な方法を示しています[5] 。これは、硝酸塩の形態から亜酸化窒素および二窒素の形態への変換を包括的に特徴付けます。この方法は、Denitrifying Enzyme Activities の頭字語 DEA で参考文献 [5] によって最初に提案されました。主に図 2 の黒い矢印に焦点を当てています。
図 2 — DEA テスト中に主に調査された脱窒プロセスのステップの焦点
DEA は、脱窒 プロセスに最適な基質 (硝酸塩および炭素源) および環境 (嫌気性生活、制御された温度) の下で培養された新鮮な土壌サンプルの脱窒のプロセスを推定します。デノボ酵素合成は、クロラムフェニコールの使用によってブロックされます。 DEA は、サンプル収集時に土壌サンプルに存在する脱窒酵素プールのサイズを表すと考えられています。これは、数多くの科学研究で使用されている標準化された手法です。
ISO/TS 20131 シリーズの第 2 部では、脱窒プロセスの最後のステップである N 2 O を還元する土壌の能力を明らかにする試験を紹介します (つまり、硝酸脱窒によって生成された N 2 O を二窒素形態に還元すること)主に図 3 の黒い矢印に焦点を当てています。このテストでは、脱窒プロセス中の N 2 O の一時的な蓄積を決定できます。これは、参考文献 [5] によって提案された研究に由来します。方法論の適応と結果の新しい解釈は、参考文献 [6] で説明されています。
図 3 — N 2Oを還元する土壌の能力の研究中に主に調査された脱窒プロセスのステップの焦点
ISO/TS 20131 シリーズの 2 つの部分の原則を表 1 にまとめます。
表 1 — ISO/TS 20131 シリーズの 2 つの部分の要約
| Part 1: 土壌脱窒 酵素活性[ 5 ] | Part 2: 土の容量 N 2 Oを減らす[ 6 ] | |
|---|---|---|
| の原則 方法論 | 脱窒プロセスを最適化する嫌気性生活 | |
| N2Oレダクターゼを阻害するためのアセチレンの使用 | ||
| 基質添加 — 硝酸塩 — カーボン | 基質添加 — 硝酸塩 - N2O (オプション) | |
| クロラムフェニコールの添加 | ||
| フィールド脱窒を評価する能力 | この試験により、サンプル採取時のサンプル中の機能性脱窒酵素の濃度が明らかになります[5][7] 。特定のケースでは、DEA と土壌の年間脱窒との間に相関関係が観察されていました[8] | |
| N 2 O排出量を評価する能力 | 証拠がない | 結果が使える — それ自体で、フィールド スケールで潜在的に高レベルの N 2 O 放出を伴う土壌を識別する[6] — 土壌 N 2 O 排出量を計算するための NOE モデル[9]との組み合わせ |
| テストが使用された出版物の数 ( n ) | n > 100 | 10 > n > 100 |
Introduction
The ISO/TS 20131 series presents some easy laboratory assessments of soil denitrification, denitrification being a process source of N2O emissions.
- Scientific context
Denitrification is the main process of nitrogen returning to the atmosphere. This process corresponds to the reduction of nitrate to nitrite and then to gaseous form, successively nitric oxide, nitrous oxide and dinitrogen. Soils (natural and anthropic) are an important source for denitrification and nitrous oxide emissions. Generally, soil denitrification involves a microbial catalysis. Denitrification is a microbial process where nitrogen oxides act as acceptor of electrons during anaerobic respiration. Each step of the denitrification process is catalysed by a specific enzyme. Denitrification is known as a process linking the nitrogen and carbon cycles. During the denitrification process, soil organic compounds may act as the donors of electrons. See Figure 1.
Figure 1—Description of the denitrification process
There are different concerns in studying the denitrification process in soil at the field scale: understanding the nitrogen cycle for limiting loss of nitrogen for agricultural production, understanding the fate of contaminants of water like nitrate and nitrite, understanding the production and the fate of atmospheric pollutants like NO and N2O. Knowledge on denitrification in soils is also necessary for global approach of the biogeochemical cycles and of global changes. Denitrification also constitutes an interesting model for microbial ecology.
The gaseous form nitrous oxide (N2O), mainly produced during the denitrification process, is a greenhouse gas with a high radiative forcing per unit mass or molecule, estimated to 296 fold higher than this of carbon dioxide (CO2) on a 100 years period[1]. Nitrous oxide is also involved in ozone depletion[2]. N2O concentrations have risen from a pre-industrial value of 270 ppb to a 2016 value of 328 ppb. At the global scale, nitrous oxide is estimated to contribute to 6 % of the radiative forcing. Agricultural and natural soils appear as the main source of this greenhouse gas[3].
Soils act as both sources and sinks of N2O. However on the global scale, the N2O emissions dominate the sink activity. The production and consumption of N2O in soils mainly involve biotic processes. Numerous groups of microorganisms contribute to the production and consumption of N2O, but biological denitrification is considered as the dominant processes involved. Only the last step of denitrification is recognized as a significant biological consumptive fate for N2O. It involves the N2O reductase enzyme activity that is inhibited by an elevated acetylene partial pressure[4].
- Methodological context
Direct measurements of denitrification in soils are expensive, time-consuming, labour intensive because of the immediate dilution of the N2 produced in the atmosphere and because of high levels of spatial and temporal variability. So far, easy laboratory experiments, even if they are not sufficient for understanding in situ denitrification, could be useful for best understanding soil denitrification and assessing soil nitrous oxide emissions. To find some generic use of the results of these laboratory tests, it appears essential to perform them in strictly standardized conditions.
The ISO/TS 20131 series includes two tests that had previously been published in peer reviewed journals and that are accessible to most research and analytical laboratories involved in soil sciences. As they are both performed on sieved soils, they are quite easy to be done and can be used for a wide range of soils.
The first part of the ISO/TS 20131 series (this document) presents a generic method for assessing denitrifying enzyme activities in soils[5]. It globally characterizes the transformation of the nitrate form to the nitrous oxide and dinitrogen forms. This method was first proposed by Reference [5] with the acronym DEA for Denitrifying Enzyme Activities. It mainly focuses on the black arrow of Figure 2.
Figure 2—Focus of the step of the denitrification process mainly investigated during the DEA test
DEA estimates the process of denitrification of fresh soil samples incubated under optimal conditions of substrates (nitrate and carbon sources) and environment (anaerobiosis, controlled temperature) for the denitrification process. The de novo enzyme synthesis is blocked by the use of chloramphenicol. DEA is believed to represent the size of the denitrifying enzyme pool present in the soil sample at the time of sample collection. It is a standardized technique used in numerous scientific studies.
The second part of the ISO/TS 20131 series presents a test revealing soils capacities to reduce N2O, the last step of the denitrification process (i.e. the reduction of N2O produced through the nitrate denitrification to the dinitrogen form). It mainly focuses on the black arrow of Figure 3. This test allows determining the transient accumulation of N2O during the denitrification process. It derives from a study proposed by Reference [5]. Methodological adaptations and new interpretations of the results had been explained in Reference [6].
Figure 3—Focus of the step of the denitrification process mainly investigated during the study of soils’ capacity to reduce N2O
The principles of the two parts of the ISO/TS 20131 series are summarized in Table 1.
Table 1—Summary of the two parts of the ISO/TS 20131 series
| Part one: Soil denitrifying enzymes activities[ 5 ] | Part two: Soil capacity to reduce N2O[ 6 ] | |
|---|---|---|
| Principles of the methodology | Anaerobiosis to optimize the denitrification process | |
| Use of acetylene to inhibit the N2O reductase | ||
| Substrate addition — Nitrate — Carbon | Substrate addition — Nitrate — N2O (optionally) | |
| Chloramphenicol addition | ||
| Ability to assess field denitrification | The test reveals the concentration of functional denitrifying enzymes in sample at the time of sample collection[5][7]. In certain cases, correlations had been observed between DEA and annual denitrification in soils[8] | |
| Ability to assess N2O emission | No evidence | Results could be used — by themselves to discriminate soils with potentially high levels of N2O emission on the field scale[6] — combined in the NOE model[9] to calculate soil N2O emission |
| Number (n) of publications in which the test has been used | n > 100 | 10 > n > 100 |