不同电子受体对酸性水稻土胞外呼吸菌群落结构特征的影响

Extracellular-respiring microbes (ERM) are considered to be a functional guild, which couples the anaerobic oxidation of intracellular electron donors (e.g., organic compounds) to the reduction of insoluble electron acceptors (e.g., iron(III) oxides) out of the membrane via extracellular electron transfer process. ERM are widely distributed in anoxic environments, and play important roles in the biogeochemical cycles of elements, especially for paddy soils. Although the types of electron acceptors have been found to have a direct effect on diversity of ERM, it remains unclear that how the community of ERM responses to different electron acceptors. In this project, we will focus on the acidic paddy soils in China, and: i) identify the community composition of ERM involved in different types of extracellular respiration processes, including Fe(III)/Mn(VI) respiration, humus respiration and electricigenic respiration, by using common enrichment methods and two-chamber microbial fuel cells, in combination with stable isotope probing and 16S rRNA gene-based high-throughput sequencing techniques; and explain the relationship between the community diversity of ERM and reduction kinetics of insoluble extracellular electron acceptors; ii) subsequently, investigate the response of iron reducers to the addition of low-molecular-weight soluble electron acceptors, such as nitrate and sulfate, and uncover the effect of nitrate and sulfate on iron reduction kinetics and iron-reducing microbial community. The results from this project will provide more microbial data for comprehensively understanding the community diversity of ERM in paddy soils, and will also enhance our understanding that how the ERM interact with iron and other major nutrient elements (e.g., nitrogen and sulfur) in paddy soils.

胞外呼吸菌是具有胞外呼吸功能的一类微生物，它通过胞外电子传递过程，将细胞内电子供体（如有机物）的氧化，与细胞外不溶性电子受体（如铁氧化物）的还原相耦合。胞外呼吸菌广泛存在于厌氧环境中，对生物地球化学循环具有重要意义，尤其在水稻土元素循环中发挥关键作用。电子受体种类可直接影响胞外呼吸菌多样性，但其规律尚不明确。本项目针对我国酸性水稻土，以胞外电子受体为切入点，通过普通富集培养和双室微生物燃料电池手段，结合稳定性同位素探针和高通量测序技术，研究参与不同类型胞外呼吸过程（铁/锰呼吸、腐殖质呼吸和产电呼吸）的微生物群落组成，解析胞外呼吸菌多样性与胞外电子受体还原之间的内在联系，为全面认识胞外呼吸菌多样性提供更多的微生物学数据；随后，以铁呼吸菌为重点，研究其对硝酸盐和硫酸盐的响应，明确硝酸盐和硫酸盐对铁还原动力学及铁呼吸菌多样性的影响规律，为揭示水稻土中铁与氮硫转化耦合的微生物机制提供新的理论依据。

胞外呼吸菌是具有胞外呼吸功能的一类微生物。根据胞外电子受体的类型主要分为铁/锰呼吸菌、腐殖质呼吸菌和产电呼吸菌。它们广泛存在于厌氧环境中，在污染物的迁移与转化、以及营养元素的生物地球化学循环中均发挥着重要作用。在水稻土这类具有典型氧化还原梯度的地表环境中，大量的不溶性胞外电子受体与可溶性小分子电子受体共存。电子受体种类如何影响胞外呼吸动力学及胞外呼吸菌多样性，目前尚不明确。本项目以我国广东雷州半岛的酸性砖红壤性水稻土为研究对象，首先解析了参与铁呼吸与产电呼吸的胞外呼吸菌多样性，发现潜在的铁呼吸菌主要集中于Deltaproteobacteria、Firmicutes和Chloroflexi门，而潜在的阳极呼吸菌主要隶属于Betaproteobacteria、Deltaproteobacteria、Chloroflexi和Nitrospirae门。其中，部分微生物如Geobacter属（Deltaproteobacteria门）既可以参与铁呼吸过程，也可以参与阳极呼吸过程。但从群落水平来看，铁呼吸菌群落与阳极呼吸菌群落具有明显差异。随后，我们将砷酸盐和磷酸盐负载至水铁矿上，发现砷酸盐能够促进铁还原，且随着铁还原自身也被还原和转化为有机砷。磷酸盐则能够抑制铁还原、以及砷酸盐的还原和转化。负载砷酸盐明显改变了微生物群落结构，导致潜在的砷酸盐还原菌的富集；而负载磷酸盐对微生物群落结构无明显影响。最后，我们研究了腐殖质模型物蒽醌-2，6-二磺酸（简称AQDS）和硫酸盐对铁呼吸过程和铁呼吸菌多样性的影响，发现添加AQDS或/和硫酸盐显著改变了铁呼吸菌群落结构，且AQDS所起的作用更大。添加AQDS加速了铁呼吸过程，并促进了潜在铁呼吸菌的富集，特别是Geobacteraceae（Deltaproteobacteria门）和Anaerolinaceae科（Chloroflexi门）。硫酸盐的添加在一定程度上抑制了铁呼吸过程以及铁呼吸菌的富集，却导致一些具有硫酸盐还原功能的微生物类群的富集，主要分布于Firmicutes门的Clostridiaceae科。这些研究成果为揭示水稻土中铁-砷-磷-硫转化耦合的微生物机制提供了新的理论依据。