干湿交替强化水稻土铁呼吸的化学－微生物学耦合机制

微生物呼吸是影响土壤有机碳周转、养分矿化利用与温室气体排放等关键生态过程的核心驱动力。铁呼吸作为一种特殊的微生物胞外呼吸形式，是厌氧环境中的最为重要的电子转移途径，具有重要的生态环境意义。铁还原菌驱动的Fe(III)呼吸及其与碳循环的耦合研究已成为热门领域。本项目以水稻土为模型，将Fe(III)呼吸从土壤呼吸"黑箱系统"中剥离出来，针对水稻土固有的干湿交替特征以及Fe(III)呼吸强烈发生的特点，提出干湿交替促进水稻土铁呼吸的化学-微生物耦合机制假说，系统研究并厘清干湿交替条件下，铁呼吸与产甲烷作用的竞争效应及其对土壤有机碳矿化的贡献。探讨干湿交替过程促进水稻土铁呼吸的内在驱动机制，阐明"落干复氧"及"活性有机碳释放"强化水稻土铁呼吸的铁还原菌－电子供体－电子受体协同机制。为发展完善和合理管理农田碳循环过程提供理论基础，为温室气体减排措施的选择提供科学依据。

铁呼吸作为一种特殊的微生物胞外呼吸形式，是厌氧环境中的最为重要的电子转移途径。铁还原菌驱动的Fe(III)呼吸及其与碳循环的耦合研究已成为热门领域。本项目以水稻土为模型，将Fe(III)呼吸从土壤呼吸“黑箱系统”中剥离出来，针对水稻土固有的干湿交替特征以及Fe(III)呼吸强烈发生的特点，提出干湿交替促进水稻土铁呼吸的化学-微生物耦合机制假说，探讨干湿交替过程促进水稻土铁呼吸的内在驱动机制，阐明“落干复氧”及“活性有机碳释放”强化水稻土铁呼吸的铁还原菌－电子供体－电子受体协同机制。研究结果表明，干湿交替促进了水稻土铁呼吸对产甲烷作用的抑制效应。其内在机制在于干湿交替水分管理模式下，排水期进入土壤的O2氧化Fe(II)生成Fe(III)，这些再生的Fe(III)在下一个淹水期被铁呼吸菌作为电子受体利用，与产甲烷菌竞争乙酸和H2等产甲烷前体，从而抑制产CH4过程。此外，通过生物电化学手段，本项目建立了一套快速测定土壤活性有机碳的生物电化学方法，可快速测定干湿交替过程中活性有机碳的释放动态，并阐明了土壤呼吸速率与土壤活性有机碳电子转移能力的响应关系。在干湿交替的稻田环境中发现了三株铁呼吸新种，为研究水稻土干湿交替促进铁呼吸的“电子受体-电子供体-铁还原菌”交互机理提供了有效的研究手段。