生物电流偶联驱动的水稻土有机碳加速矿化机制

土壤有机碳矿化直接影响养分释放、温室气体排放、土壤质量维持等关键过程。有机碳矿化在本质上是微生物驱动的电子供体/受体间的电子转移过程。长期以来，传统土壤呼吸研究集中于宏观层面，在微观机制（尤其是电子供体与受体相互作用）方面少受关注。水稻土作为电子供体（有机碳）与受体（氧气）空间隔离的湿地土壤类型，表水层氧气是否能"长距离"地影响地下有机碳矿化，一直缺乏令人信服的证据。本项目针对水稻土生物化学特性，提出好氧/厌氧界面"天然微生物燃料电池"假说，系统研究水/土界面氧还原与有机碳氧化的响应关系，探讨微生物驱动电子从"有机碳→微生物纳米导电网络→氧气"的长距离（厘米尺度）转移途径，阐明稻田剖面天然导电网络的形成机制及其对有机碳矿化与温室气体产生的影响效应，揭示生物电流偶联的有机碳加速矿化机制。为深入理解农田有机碳矿化机理提供理论基础，为合理管理土壤有机碳库及减排温室气体提供科学依据。

“天然微生物燃料电池”是一种发生在氧化/还原界面的自然现象，其本质是通过微生物驱动电子流动，偶联空间上隔离的氧化还原过程。以水稻土作为电子供体（有机碳）与受体（氧气）空间隔离的典型湿地土壤类型，本项目提出了水稻土好氧/厌氧界面"天然微生物燃料电池"假说，探索微生物驱动电子从"有机碳→微生物纳米导电网络→氧气"的长距离转移途径。依托自主研发的水稻土"天然微生物燃料电池"多种实验平台，系统研究了水/土界面氧还原与有机碳氧化的响应关系，重要研究结果：（1）为提供“天然微生物燃料电池”更多、更直接的有力证据，项目结合地球物理勘测方法，建立了三种监测“天然微生物燃料电池”的新方法，分别是自然电位方法、复电阻方法、微电极以及超声波方法。（2）采用循环伏安法考察阴极/阳极生物膜的催化活性、自然电位法测量水稻土剖面电场强度、微电极技术测定微米尺度土壤剖面 pH-Eh-O2动态、复电阻和超声波检测微生物生长代谢和生物膜过程、扫描电镜观察微生物纳米导电网络的微观形态，解析了水/土界面O2 与有机碳间"长距离"电子转移机制，为水/土界面 “天然微生物燃料电池”的形成提供了直接证据。（3）以乙酸钠作为外加碳源，证实了空间隔离的有机碳氧化反应与还原反应偶联发生的可能性，以及"天然微生物燃料电池"对水稻土有机碳矿化过程的强化效应，并在复杂条件下验证了稻田"天然微生物燃料电池"效应并探讨了形成“天然微生物燃料电池”的重要因素。（4）从“天然微生物燃料电池”中分离鉴定出两株具有电活性的微生物新菌Fontibacter ferrireducens sp. nov.和Thauera humireducens sp. nov.，为深入研究土壤胞外呼吸菌功能基因组、电子转移相关基因表达、代谢网络构建及生物信息学提供菌种资源。项目研究成果为深入理解农田有机碳矿化机理提供理论基础，为合理管理土壤有机碳库及减排温室气体提供科学依据。