水稻土中性微氧亚铁氧化耦合二氧化碳固定的微生物学机制

The success of neutrophilic, microaerophilic Fe(II) oxidation bacteria (FeOB), isolation and cultivation makes a new insight into the surface of iron cycling in the recent ten years. Bacteria Fe(II) oxidation is of global significance to biogeochemistry of iron and nutrient cycling at redox boundary. The goal of the current study is to explore the mechanism of electron transfer, iron isotope fractionation, microbial community structure, functional bacteria of carbon fixation and functional gene by bio-oxidation of Fe(II) under suboxic, circumneutral-pH conditions. In this study, we will implement and develop a spectrum of advanced laboratory techniques including chemical methods including MC-ICP-MS and GC-IRMS; molecular biological methods including 13C-DNA stable isotope probing, qPCR, high throughout sequencing and metagenomics analysis; spectroscope methods including TEM, XRD and XANES. This work will elucidate the microbial mechanisms of Fe(II) oxidation coupled with carbon fixation in paddy soil, deeply understand the biogeochemistry behavior of the coupling process of Fe-C, and provide scientific support for carbon fixation in iron-rich soil.

最近十余年，中性微氧专性铁氧化菌新种的成功分离与培养使得人们从一个新的角度认识地球表层中的铁循环。微氧型铁氧化菌参与调控的亚铁氧化成矿过程对其他生源要素的生物地球化学作用有着重要的意义。本项目以不同母质发育的水稻土为对象，以中性微氧亚铁氧化成矿及成矿过程中碳转化为主要过程，采用稳定同位素核酸探针技术、铁同位素技术及分子生物学技术，从矿物晶体结构、微生物群落结构及关键功能微生物三个方面，研究中性微氧条件下铁碳耦合的微生物学过程，探讨亚铁氧化成矿耦合碳转化过程的电子转移机制、铁同位素分馏效应、微生物群落结构组成、碳同化功能微生物及功能基因的变化，阐明微氧亚铁氧化耦合二氧化碳固定的微生物学机制。本研究将为深入理解铁碳耦合的生物地球化学行为及富铁土壤碳固定过程提供科学支撑。

在近中性微氧条件下，微氧亚铁氧化菌以氧气作为电子受体氧化亚铁，从而获得生长所需要的能量。铁氧化菌在将无机碳转变成有机物的同时，形成的无定型羟基氧化铁，可吸附环境中的有机物、重金属等，对调控元素的生物地球化学循环具有重要的意义。然而，目前对该类微生物生态环境意义的研究尚处于初级阶段。因此，本研究利用反向梯度法富集培养稻田土壤中微氧铁氧化菌，研究亚铁氧化成矿过程中砷的固定机制及碳同化微生物。. 研究发现在传代培养过程，微生物铁氧化作用活跃。随着传代数的增加，富集群落铁氧化功能减弱。XRD结果表明微氧氧化过程中产生的Fe(III)矿物类型为无定形铁氧化物。高通量测序结果显示在传代过程中，Cupriavidus、Variovorax、Pseudomonas和Sphingomonas为优势微生物，总丰度达到80%以上；随着传代次数增加，微生物群落结构相似并趋于稳定。. 在梯度管中，以不同含铁矿物为铁源进行富集培，结果表明Fe3(PO4)2作为铁源，铁氧化带中细胞生长量和碳同化量最大。同时，利用高通量测序和宏基因组学技术研究参与亚铁氧化过程中潜在化能自养微生物，结果表明Acidovorax、Azospirillum、Dechloromonas、Flavobacterium、Leptothrix、Nitrosomonas、Sideroxydans、Thiomonas、Thiobacillus能够利用无机碳作为碳源供自身生长，同时，微氧铁氧化菌主要通过卡尔文循环固定无机碳，表明化能无机自养微氧亚铁氧化微生物在土壤中铁-碳耦合的生物地球化学循环中起着重要作用。. 微氧亚铁氧化过程中，砷首先被微生物氧化成高价砷，随后被铁氧化物固定。在固定砷的同时，微生物利用13C-NaHCO3作为碳源供其自身生长。通过对比12C和13C重密度梯度层中微生物群落结构的变化，发现在所有体系中，Kaistobacter和Cupriavidus都参与了碳同化。不添加砷体系中，参与碳同化的微生物有Bradyrhizobium、Hyphomicrobium、Rhodoplanes、Mesorhizobium和Rhizobium；在As(III)体系中，Phycisphaerales和Opitutaceae参与了碳同化。微氧亚铁氧化过程中不仅铁氧化菌参与了碳同化过程，共生菌也参与同化过程。