近海与河口透光层半导体矿物协同微生物驱动碳氮硫循环的机制研究

The euphotic zone in estuary and offshore seawater is a very complicated open system. Utilizing interdisciplinary research methods involving mineralogy and microbiology fields, this project is focused on the key scientific matter that the suspended semiconducting mineral particles in euphotic zone of estuary and offshore seawater can produce photoelectrons, regulate “photoelectric-energy” microbes’ metabolic functions, and drive the element cycling of C, N and S. The molecular mechanisms and environmental effects involved in the above processes are the main concern. The emphasis of the research work will include: the mineralogy and surficial physical-chemical characteristics of the suspended semiconducting mineral particles in euphotic zone; the metabolic pathway of “photoelectric-energy” microbes utilizing photoelectron energy; the molecular mechanism of “photoelectric-energy” microbes driving C, N and S element cycling; the theoretical model and environmental effects of semiconducting minerals cooperating with “photoelectric-energy” microbes in river and marine water system. This project is aimed to demonstrate the suspended semiconducting mineral particles in euphotic zone of estuary and offshore seawater and their photoelectron production mechanisms. Further, it will be revealed about the multi-element synergy mechanisms among solar light – suspended semiconducting minerals – organic matter – C, N, S element in euphotic zone water systems of typical estuary and offshore regions in China, as well as its environmental effects. This work will give scientific insights into the new approaches of microbes energy metabolism and C-N-S element cycling in estuary and offshore euphotic zone.

近海与河口透光层是一个极复杂的开放系统，本项目采用矿物学与微生物学交叉学科研究手段，围绕近海与河口透光层中悬浮颗粒物半导体矿物光电子调控“光电能”微生物能量代谢途径及其驱动碳氮硫元素循环的分子机制与环境效应这一关键科学问题，重点开展近海与河口透光层中悬浮颗粒物半导体矿物学及其表面物理化学特征研究、近海与河口透光层“光电能”微生物及群落结构研究、“光电能”微生物利用矿物光电子能量代谢途径研究、“光电能”微生物驱动碳氮硫元素循环分子机制研究、水体系统中半导体矿物协同“光电能”微生物作用理论模型与环境效应研究，旨在查明近海与河口透光层中悬浮颗粒物半导体特性与矿物光电子能量产生机制，揭示复杂开放的我国典型近海与河口透光层水体系统中太阳光-悬浮颗粒物-有机物-微生物-碳氮硫元素多元耦合反应体系作用机理与环境效应，为认识与理解近海与河口透光层微生物能量代谢与碳氮硫元素循环的新途径提供科学依据。

近海与河口透光层属于极为复杂的开放系统，具有寡营养与低能量供给的生境特征，其中无机矿物与微生物间存在多样的能量转化与物质交换作用。本项目采用矿物学与微生物学交叉学科研究手段，以近海与河口透光层中悬浮颗粒物半导体矿物光电子能量研究为突破口，围绕矿物光电子能量调控微生物能量代谢途径及其驱动碳氮硫元素循环的分子机制与环境效应这一关键科学问题，重点研究了透光层悬浮颗粒物精细矿物学及半导体特性、透光层微生物群落结构及其响应矿物光电子能量特征、光电子能量调控微生物驱动碳氮硫元素循环分子机制等。发现水圈透光层中发育大量来源于陆地“矿物膜”的铁锰钛氧化物半导体矿物，其中赤铁矿、针铁矿、锐钛矿、金红石和水钠锰矿等典型半导体矿物均具有良好的日光响应及光电转化性能，能量较高的矿物光电子可还原大气二氧化碳为小分子有机物，提出水圈透光层天然光催化系统的认识。透光层中普遍存在地杆菌属、假单胞菌属等电活性微生物及盐单胞菌属、乳酸杆菌属等反硝化细菌，对矿物光电子能量具有响应潜力。建立透光层中典型半导体矿物针铁矿-溶解性有机质的光催化研究体系，阐明了光驱动透光层中矿物光催化下铁-碳耦合的环境地球化学过程。针对模式微生物PAO1，利用基因敲除菌株揭示锐钛矿光催化协同促进其胞外电子传递的关键位点与影响机制。自透光层分离一株具有反硝化及还原硝酸盐至铵功能的盐单胞菌，揭示光电子能量对该菌氮代谢的调控作用及影响透光层氮循环的效应。探明以脱硫弧菌属为主的硫酸盐还原菌群可耦合硫酸根还原与白云石沉淀，揭示矿物协同微生物驱动碳硫元素循环作用机制。提出水圈天然光催化系统中半导体矿物协同微生物能量与物质代谢的理论模型，揭示水体透光层中日光-悬浮颗粒物-有机物-微生物-碳氮硫元素多元反应体系的耦合作用机制与环境效应。为进一步认识与理解水体透光层中微生物能量代谢与元素循环新途径提供科学依据，为保护与利用水圈生态功能与环境质量提供科技支撑。