中性厌氧亚铁氧化与硝酸盐还原过程相互作用的微生物机制

Neutral anaerobic ferrous oxidation and nitrate reduction are driven by microbes,which connect iron-nitrogen element cycling in ecosystem.This application uses three typical of paddy soil (shallow sea sediments,delta alluvial and granite) in south China as the research objects, employing ribosomal barcoding pyrosequencing of DNA/RNA with 15N stable isotope probing,to explore the community structure's transformation and functional evolution of ferrous oxidizing microbes and nitrate reducing microbes in the process of nitrate-dependent Fe(II) oxidation. By examining the taxonomic and transcriptional activity divergence of functional microbe in various experimental treatments, this research is to elucidate the microbial mechanism in the process of neutral anaerobic ferrous oxidation coupling nitrate reduction in anaerobic environment. The innovations is characterize species relative activity with corresponding 16S rRNA gene ratio of pyrosequencing sequences above RNA/DNA level, which helps to explore the contribution and collaboration of different taxa in Fe(II)-oxidizing microbes and nitrate-reducing microbes. The above mentioned novel investigation will significantly improve the understanding in coupling mechanism of Fe-N cycling.

中性厌氧亚铁氧化与硝酸盐还原是由微生物驱动的、土壤环境中相互作用的两个过程，是生态系统中铁循环与氮循环相互作用的纽带。本申请以华南浅海沉积物、三角洲冲积物与花岗岩发育的三类典型稻田土壤为研究对象，采用高通量测序结合稳定性同位素探针技术，研究中性厌氧亚铁氧化、硝酸盐还原、硝酸盐依赖的亚铁氧化等三个过程中，亚铁氧化群落与硝酸盐还原群落的物种组成与相对活性的耦合关系，探索硝酸盐依赖的亚铁氧化过程中相关微生物功能群的结构演变与功能演化，阐明厌氧环境中亚铁氧化与硝酸盐还原过程相互作用的微生物机制。其创新在于：在物种组成(DNA)及活性(RNA)两个层面上阐明亚铁氧化群落与硝酸盐还原群落的相互作用机制；以 RNA 水平上物种的相对活性为指标，阐明亚铁氧化与硝酸盐还原群落内部不同类群的相对贡献与协作机制，探明调控这两个过程的关键因子；预期成果可为深入阐明铁/氮循环相互作用机制提供科学依据。

硝酸盐依赖的亚铁氧化过程，不仅是联系氮-铁元素的桥梁，同时其生成的铁氧化强烈影响了重金属的命运。本项目以亚铁氧化为核心，重点研究厌氧条件下亚铁氧化-硝酸盐还原-砷氧化固定三者的关系，及其这三种元素循环耦合的微生物学机制。主要进展包括4个方面：第一方面，首次从稻田体系中分离了具有硝酸盐还原能力的亚铁氧化菌。首次分离出了三株硝酸依赖的亚铁氧化菌，对其亚铁氧化、硝酸盐能力进行详细的检测，结合其生物成矿特性及基因学信息，推测其亚铁氧化耦合硝酸盐还原的主要电子传递途径及功能蛋白，为后续具体分子机制的验证打下了良好基础。第二方面，发现稻田硝酸盐依赖亚铁氧化过程受土壤母质影响。比较了碳酸盐发育、第四季红壤以及河流沉积物发育的稻田在硝酸盐还原-亚铁氧化速率、生物成矿及微生物群落组成上的差异，发现亚铁氧化速率：碳酸盐发育>第四纪红壤>河流沉积物发育，成矿能力：碳酸盐发育<河流沉积物发育<第四纪红壤。微生物群落组成的差异表明，不同发育稻田执行硝酸盐依赖亚铁氧化过程的主要功能微生物存在差异。第三方面，建立了厌氧稻田硝酸盐还原-亚铁氧化-砷氧化反应体系，初步阐释了厌氧条件下硝酸盐-亚铁-三价砷耦合的反应过程及其关键微生物类群。发现硝酸盐还原是推动厌氧稻田亚铁氧化，砷氧化的驱动力。在Fe(II)、As(III)共存时，硝酸盐还原先促进As(III)氧化，硝酸盐还原生成的压硝酸盐与Fe(II)发生化学氧化。Burkholderiales（伯克氏菌），Neisseriales（奈瑟菌）以及Rhodocyclales（红环菌）是硝酸还原-亚铁氧化-砷氧化过程的关键微生物类群。第四方面，提出了厌氧稻田铁-砷还原耦合发生的微生物学机制。以生物炭为模式，研究了电子穿梭体在铁-砷耦合还原中的贡献，明确胞外呼吸过程是控制厌氧稻田铁-砷还原的关键过程。生物碳的加入能显著提高体系铁-砷还原速率，同时激活了胞外铁呼吸及砷呼吸微生物的活性，证实Geobacter属微生物是连接厌氧土壤铁-砷还原的关键微生物类群。与国际上重点关注沉积物与湿地系统相比，我们结合稻田重金属的国家需求，重点关注农田系统。以铁-氮-砷元素循环过程为核心，提高了厌氧稻田生源要素循环耦合（铁氮）与重金属（砷）循环的基础研究，共发表SCI检索论文3篇。