沉积物中亚铁氧化耦合硝酸盐还原的微生物机制研究

Iron is the most ubiquitously abundant redox active transition metal on earth, which has an important indication on lake sediments. Root radial oxygen loss of wetland plant allows root to create a rhizosphere oxidized zone and the rhizosphere is a biologically active zone in which oxidation and reduction occurred simultaneously, which can promote the cycle of rhizosphere iron. The constant redox cycle of iron is an important link to the geochemical cycles of other elements e.g. nitrogen. In particular, the nitrate dependent Fe(II) oxidation microorganisms were able to couple Fe(II) oxidation and nitrate reduction at circumneutral pH in anoxic environments. Hence, in order to investigate the dynamic changes of Fe and N and the changes of microbial community structure, two wetland plants are selected, and carry out the microcosm laboratory experiments and in situ investigation. The objectives of the study are to clarify the mechanism of microbial iron-nitrogen coupling and to meet the important microbial iron redox in lake ecosystem.

铁作为地壳中丰度最高的氧化还原敏感元素，对湖泊沉积物的氧化还原作用具有重要的指示意义。水生植物根系泌氧在根际形成微域的氧化圈，使得根际成为氧化还原反应的边界层，有利于促进根际铁的循环，其不断的氧化还原过程是联系其他元素特别是氮循环过程的重要纽带，尤其是其中硝酸盐依赖亚铁氧化微生物，能够在中性厌氧环境中耦合亚铁氧化和硝酸盐还原。因此，本研究拟选取两种常见的水生植物为研究对象，采用野外调查和室内模拟相结合的研究方法，探讨根际铁、氮的动态变化、以及微生物群落结构的变化，然后通过厌氧培养的方法，阐明湖泊沉积物中铁-氮耦合的微生物机制，认识铁氧化还原过程在湖泊生态系统中的重要作用。

沉积物反硝化是浅水湖泊脱氮的主要过程。溶解氧（DO）是调控微生物反硝化的关键因素之一，根际及表层沉积物在几毫米范围内存在剧烈的氧化还原梯度变化。另外，富营养化湖泊表层沉积物中具有大量好氧反硝化菌群，有着广泛的开发应用前景。本研究采用高通量基因测序和定量PCR技术等分析了表层沉积物中反硝化菌群特征。从表层沉积物中分离好氧反硝化菌株，评估其脱氮特性，为好氧反硝化复合菌剂的开发及生物强化技术的工程应用提供参考依据。主要研究结果如下：.（1）利用微电极系统原位确定了沉水植物根系泌氧的存在，并对表层沉积物进行了精细分层，结果表明不同DO层的反硝化特性各不相同。低氧和上厌氧层是活性脱氮层，这两层具有最高的DNA丰度、RNA表达水平和反硝化功能基因的酶活性。好氧反硝化菌可能在好氧层和缺氧层中起重要作用。.（2）通过模拟水生植物根系泌氧作用对根际微区铁循环的影响发现，沉水植物根系泌氧在根际形成微域的氧化圈，是氧化和还原同时发生的生物活跃区。实验结果表明根系根系泌氧（ROL）有利于Fe(II)的氧化和根表铁膜的形成，是根际铁循环的重要参数，并进一步影响细菌的群落结构。.（3）利用反硝化富集培养基，进一步对表层沉积物及添加了黄铁矿的表层沉积物进行富集分离好氧反硝化菌株，分离出了3株好氧反硝化菌株，通过生理生化及16S rRNA序列比对显示3株分别隶属于施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri PAD-1）、门多萨假单胞菌（Pseudomonas mendocina IHB602， A2）、甲基杆菌属（Methylobacterium gregans DC-1，A3）。实验结果为脱氮菌株在实际废水中应用提供了新的研究思路，为污水处理系统有效持留氮去除功能菌提供了应用可能。