黄河中下游湿地土壤亚铁厌氧氧化效应及动力学

Anaerobic Fe(II) oxidation is an important bio-geochemistry process in soils, which exerts a strong influence on nutrient release, bio-geochemical transformation of elements, and environmental bioremediation, by taking part in elements cycling. The reduction/oxidation of even a minor amount of iron in iron-bearing minerals could significantly influence the inorganic and organic geochemistry of the wetland soil system. .Considering environmental degradation, CO2 and other greenhouse gas emissions of wetlands in the middle and lower reaches of the Yellow/ River, and the wetland soil widely deposit Fe (II) and anaerobic Fe(II) oxidizers, combined with international research hotspots and scientific issues in the soil bio-geochemistry, study the anaerobic Fe(II) oxidation effects and kinetic characteristics of the middle and lower reaches of the Yellow River wetland soil, to fully understand the relationship between microbial iron cycle conversion and soil development; study affecting mechanism of anaerobic Fe (II) oxidation on carbon transformation coupled in wetland soil of the middle and lower reaches of the Yellow River, discuss the relationship between the anaerobic oxidation of Fe (II) and greenhouse gas emission reduction, for regulating soil iron redox process to reduce greenhouse gas emissions, improve the ecological environment of the wetlands, and, for better understanding the anaerobic iron cycling pathway and mechanism, the dominant anaerobic Fe(II) oxidizing microorganism in the anaerobic slurry incubation will be isolated, purified and identified.

土壤中亚铁厌氧氧化是铁的地球生物化学循环中的重要环节，具有重要的地学和环境学意义。针对黄河中下游湿地环境恶化和CO2等温室气体排放问题及湿地土壤广泛存亚铁和亚铁厌氧氧化微生物，结合国际上相关研究热点及科学问题，本申请以中性偏碱、高碳酸钙含量的黄河中下游湿地土壤为研究对象，研究土壤中的亚铁厌氧氧化效应及动力学特征，阐明硝酸盐还原型亚铁氧化和光合型亚铁氧化过程的相对贡献和协作机制；研究不同体系条件及共存底物对亚铁厌氧氧化的影响，阐明湿地土壤亚铁氧化的主控因素；研究亚铁厌氧氧化过程对湿地土壤中碳转化的影响机制，研究培养体系中亚铁厌氧氧化微生物分类及其对亚铁厌氧氧化过程的作用机制，明确高碳酸钙含量土壤亚铁氧化的关键微生物和菌群关键环境因子；预期成果可为深入探索铁/碳循环相互作用机制提供科学依据，为调控湿地土壤铁的氧化还原过程减少温室气体排放、改善湿地生态环境提供理论依据。

亚铁厌氧氧化是铁的地球生物化学循环中的重要环节，在调节土壤养分供应、保护农田生态环境、抑制温室气体排放等方面意义重大。项目系统研究了中性偏碱、高碳酸钙含量的黄河中下游湿地土壤的亚铁氧化特征、环境效应、主控因素及关键微生物，发现褐土亚铁在氧化量介于1.46~3.00 mg g-1之间，与土壤无定形铁、水溶性硫酸盐含量、阳离子交换量显著负相关，与土壤总氮、总磷显著正相关。氧化速率常数与土壤有机碳显著负相关，与黏粒含量显著正相关。亚铁氧化过程主要存在于0~80 cm土层，关键参数均随剖面深度增加而降低。研究了湿地土壤亚铁厌氧氧化的环境效应，发现亚铁氧化过程氨氮和硝氮双降，全氮显著增加。亚铁氧化过程对速效磷和铁磷含量无显著影响，可显著降低土壤速效钾含量。铁还原过程可促使水溶态Zn向氧化物结合态转化而降低其有效性；亚铁氧化过程因Zn污染而延迟，氧化量及速率降低。亚铁氧化过程可显著抑制CH4和CO2的排放。探讨了pH、温度等因素对亚铁氧化过程的影响，发现黄河中下游湿地土壤亚铁氧化的适宜pH 6~8，亚铁氧化量虽随温度升高而降低但氧化过程温度不敏感。有机碳因促进已氧化亚铁的再次还原而抑制氧化。5~10 mM 硝酸盐可促进亚铁氧化。SO42-在0~40 mM范围内可增加亚铁的氧化量和氧化速率。磷酸盐亦可促进光合型亚铁氧化，促进水溶态磷向钙磷、铁磷和铝磷转化。采用16S rRNA技术测试了亚铁厌氧氧化过程的关键微生物，发现黄河中下游湿地土壤中亚铁氧化以光合型亚铁氧化为主，光合产氧微生物主要是蓝细菌纲中席藻属（Phormidium），细鞘丝藻属（Leptolyngbya），念珠藻属（Nostoc），颤藻科（Oscillatoriales）、宽球藻目（Pleurocapsales），避光显著降低蓝细菌的相对丰度，Cyanobacteria丰度与铁还原量显著负相关，与亚铁氧化量显著正相关。光照和硝酸盐可显著影响微生物群落结构，光照无硝酸盐时蓝细菌主要以细鞘丝藻属（Leptolyngbya）为主，加入硝酸盐后蓝细菌以一种未定属为主。项目已发表文章4篇，授权发明专利2件。