Evaluation of the effects of different fertilizer strategies on soil bacterial community structure and enzyme activity
Creators: name: Belli, Özge Alaaddin
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Λιπάσματα ενισχυμένης απόδοσης (EEFs)
Δομή μικροβιακής κοινότητας εδάφους
Ενζυμική δραστηριότητα του εδάφους
Enhanced efficiency fertilizers (EEFs)
Soil microbial community structure
Soil enzyme activity
Verimliliği Geliştirilmiş Gübreler
Toprak mikrobiyal topluluk yapısı
Toprak Enzim Aktivitesi

description: Τις τελευταίες δεκαετίες, η ανεξέλεγκτη χρήση αζωτούχων λιπασμάτων (Ν) στη γεωργία έχει αναδειχθεί ως σημαντικός παράγοντας εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, ρύπανσης και κλιματικής αλλαγής. Τα σταθεροποιημένα λιπάσματα, ένας τύπος λιπασμάτων ενισχυμένης απόδοσης (EEF), που περιέχουν αναστολείς ουρεάσης και νιτροποίησης (π.χ. NBPT, DCD, DMPP), καθώς και τα βιοδιεγερτικά που βασίζονται στην τεχνολογία Stoller, αποτελούν λύσεις για τη μείωση των απωλειών των θρεπτικών στοιχείων και τη βελτίωση της διαθεσιμότητάς τους στα φυτά. Ωστόσο, οι επιπτώσεις αυτών των λιπασμάτων στις μικροβιακές κοινότητες του εδάφους παραμένουν ελάχιστα κατανοητές. Υποθέτουμε ότι: 1. Όλα τα λιπάσματα θα επηρεάσουν τις μικροβιακές κοινότητες του εδάφους. 2. Θα προκαλέσουν αλλαγές στις ιδιότητες του εδάφους και στη δραστηριότητα ενζύμων. 3. Αυτές οι αλλαγές θα επηρεάσουν τη δομή και διασύνδεση των κοινοτήτων, πιθανώς επηρεάζοντας την υγεία του εδάφους. Μελετήθηκαν πέντε μεταχειρίσεις σε πειραματικές καλλιέργειες κριθαριού (Hordeum vulgare L.): Μάρτυρας, Ανόργανο Λίπασμα (ουροθειικό αμμώνιο με NBPT και DCD), Οργανικό Λίπασμα (pellet), STAMPA (τεχνολογία Stoller) και ENTEC (DMPP). Αναλύθηκε βακτηριακή βιοποικιλότητα με Oxford Nanopore 16S rRNA και ενζυμικές δραστηριότητες. Τα δεδομένα επεξεργάστηκαν με R και ‘phyloseq’. Κυρίαρχα γένη βακτηρίων ήταν τα Pseudomonas και Bacillus. Η α-ποικιλότητα (δείκτες Shannon και Simpson) δεν έδειξε στατιστικά σημαντικές διαφορές, με το ENTEC να παρουσιάζει τις χαμηλότερες τιμές. Η σχετική αφθονία έδειξε μετατόπιση της κοινότητας από Bacillus σε Pseudomonas: Το Bacillus κυριάρχησε στον Μάρτυρα και στο Ανόργανο Λίπασμα, ενώ το Pseudomonas ήταν αυξημένο στο ENTEC και μειωμένο στο Οργανικό Λίπασμα και το STAMPA. Η ανάλυση NMDS ομαδοποίησε τον Μάρτυρα και το Ανόργανο Λίπασμα μαζί, ενώ το Οργανικό Λίπασμα και ENTEC απέναντι και το STAMPA ενδιάμεσα. Η SIMPER ανέδειξε το Pseudomonas και το Bacillus ως κύριους συνεισφέροντες στη διαφοροποίηση, ενώ το Flavisolibacter αναγνωρίστηκε ως δείκτης για την διαφοροποίηση του STAMPA από τις υπόλοιπες μεταχειρίσεις. Το pH αναγνωρίστηκε ως ο κύριος παράγοντας στις χημικές αναλύσεις. Η ανάλυση δικτύου έδειξε χαμηλή διασυνδεσιμότητα στο Ανόργανο Λίπασμα, ενώ το Οργανικό Λίπασμα, το STAMPA και το ENTEC εμφάνισαν πιο συμπαγείς δομές, παρόμοιες με τον Μάρτυρα. Οι επιπτώσεις του Ανόργανου Λιπάσματος και του ENTEC υποδηλώνουν ότι οι τύποι αναστολέων πρέπει να εξετάζονται προσεκτικά. Το STAMPA έδειξε ενδιάμεσα αποτελέσματα, με αυξημένο Flavisolibacter, πιθανόν ευνοώντας την ανάπτυξη φυτών. Το Οργανικό Λίπασμα αναδείχθηκε ως η πιο υποσχόμενη επιλογή, υποστηρίζοντας μια ισορροπημένη μικροβιακή κοινότητα. Τα αποτελέσματα τονίζουν την ανάγκη περαιτέρω έρευνας για την υποστήριξη της αειφόρου γεωργίας και της υγείας του εδάφους.
description: In recent decades, the uncontrolled use of nitrogen (N) fertilizers in agriculture has emerged as a major contributor to greenhouse gas emissions, environmental pollution, and climate change. Stabilized fertilizers, a type of Enhanced Efficiency Fertilizers (EEF), containing urease and nitrification inhibitors (e.g., NBPT, DCD, DMPP), and biostimulants based on Stoller technology present potential solutions to reduce nutrient losses and improve plant nutrient availability. However, the effects of these fertilizers on soil microbial communities, a critical component of soil health, remain poorly understood. We hypothesize that 1. All fertilizers will affect the soil microbial community, though the effect may be subtle. 2. All fertilizers will lead to measurable changes in soil properties and enzyme activity. 3. These changes will consequently alter community structure and interconnectivity, potentially impacting soil health. We constructed a study composed of five treatments and investigated their impact in a barley (Hordeum vulgare L.) crop field experiment: Control, Inorganic Fertilizer (Ammonium Urosulphate) containing both urease inhibitor (NBPT) and nitrification inhibitor (DCD), Organic Fertilizer in pellet form, STAMPA, a Stoller-technology-based fertilizer, and ENTEC containing nitrification inhibitor (DMPP). Rhizosphere-associated bacterial diversity was analyzed using Oxford Nanopore 16S rRNA sequencing, and soil enzyme activities were evaluated. Microbial assessments were conducted using R programming and the 'phyloseq' package. The most dominant bacteria at the genus level across samples were Pseudomonas and Bacillus. Alpha diversity, assessed using Shannon and Simpson indices, showed no statistically significant differences, though ENTEC had the lowest values among treatments. Relative abundance revealed a shift from Bacillus to Pseudomonas: Bacillus dominated in the Control and Inorganic Fertilizer treatments, while Pseudomonas was highly abundant in ENTEC, with decreases in Organic Fertilizer and STAMPA. Non-dimensional multiscale analysis (NMDS), used for beta diversity assessment, grouped treatments with Control and Inorganic Fertilizer on one side, Organic Fertilizer and ENTEC on the opposite, and STAMPA in between, reflecting microbial shifts. SIMPER analysis revealed Pseudomonas and Bacillus species as most contributing to differentiation. The greatest differentiation between Inorganic Fertilizer and ENTEC, despite both containing inhibitors. Additionally, Flavisolibacter was identified as a key index in STAMPA differentiation from other treatments. Although many properties were found significant in soil chemical analysis, only pH was identified as the most influential factor in redundancy analysis. Co-occurrence network analysis showed that Inorganic Fertilizer had the least interconnectivity, forming multiple clusters, while Organic Fertilizer, STAMPA, and ENTEC displayed more compact, interconnected structures similar to the Control. The differing impacts of Inorganic Fertilizer and ENTEC suggest that inhibitor types should be carefully considered in application. STAMPA, with Stoller technology, showed intermediate effects and increased Flavisolibacter, potentially aiding plant growth. Organic Fertilizer was the most promising fertilizer, supporting a balanced microbial community. These findings highlight that each fertilizer has unique effects, emphasizing the need for further research to support sustainable agriculture and soil health.
description: Τμήμα Βιολογίας, Συνεργαζόμενα Τμήματα : Επιστήμης και Τεχνολογίας (Διεθνές Πανεπιστήμιο Ελλάδας)