淹水稻田土壤亚铁-硝酸盐体系砷固定机制及功能微生物研究

Microbial As(III) oxidation can couple to nitrate reduction and is strongly influenced by Fe(II) oxidation under anoxic conditions. However, it remains poorly understood which steps are the crucial reactions or which species are the functional bacteria responsible for the crucial reactions. In addition, the mechanism driven by the chemoautotrophic bacteria may differ from that driven by the heterotrophic ones. In this proposed research, (1) the transformation kinetics and pathways of iron, nitrogen and arsenic, the biomineralization, the composition of microbial community, and the identification and quantification of potential functional genes and functional bacteria will be investigated in the mixed culture with flooded paddy soil. The objective of this part is to disclose the crucial reactions and bacteria that responsible for As(III) oxidation in the presence of Fe(II) and nitrate at microbial community level. (2) the transformation kinetics and pathways of iron, nitrogen and arsenic, the nitrogen isotopic fractionation, the whole genome sequencing, and the transcription of potential functional genes will be investigated in the pure culture of chemoautotrophic and heterotrophic bacteria, respectively. The obtained results can clarify the reasons for the difference in mechanism of As(III) oxidation in the presence of Fe(II) and nitrate between chemoautotrophic and heterotrophic bacteria at axenic culture level. The proposed research will provide a more comprehensive understanding for the biogeochemical mechanism of As(III) oxidation in the presence of Fe(II) and nitrate in anoxic environment, as well as provide theoretical and technological support for the development of techniques for remediation of arsenic-contaminated soils.

微生物驱动的砷氧化过程在厌氧环境中能够与硝酸盐还原耦合，并受亚铁氧化过程的强烈影响。然而在亚铁和硝酸盐同时存在时，砷转化的关键步骤和关键微生物尚未明确，其中自养型和异养型微生物的作用机制也可能存在差异。本项目(1)以淹水稻田土壤为研究对象，通过研究铁/氮/砷的转化动力学与途径、生物成矿、微生物群落结构、功能基因和功能微生物，从群落层面明确淹水稻田土壤亚铁-硝酸盐体系中三价砷氧化过程的关键步骤与关键功能微生物。(2)分别以自养型和异养型硝酸盐还原亚铁氧化菌为研究对象，通过研究铁/氮/砷的转化动力学与途径、氮同位素分馏、全基因组，以及定量功能基因的表达水平，从纯菌层面剖析自养型与异养型微生物在驱动亚铁-硝酸盐体系中三价砷氧化固定的机制差异与原因。可深入理解亚铁氧化与硝酸盐还原过程对三价砷氧化固定的生物地球化学机制，为开发砷污染土壤的修复技术提供理论依据和技术支撑。

微生物驱动的砷氧化过程在厌氧环境中能够与硝酸盐还原耦合，并强烈受亚铁氧化过程影响。然而在淹水稻田土壤中，当微生物、亚铁、硝酸盐、砷同时存在时，微生物驱动的亚铁氧化热力学与动力学如何？亚铁氧化、砷氧化的关键步骤、关键微生物和关键环境因子等尚未明确。针对上述科学问题，本项目主要开展以下研究内容：.(1)亚铁氧化热力学与动力学。构建“细胞色素c-亚铁-氧气”体系，采用光谱和电化学相结合的方法研究了酸性条件下游离态/配体态Fe(II)与模式蛋白细胞色素c反应的动力学与热力学机制，阐明了氧气通过产生活性氧物种抑制Fe(II)还原细胞色素c的机制。.(2)亚铁氧化微生物机制。构建“土壤/纯菌-亚铁-硝酸盐/亚硝酸盐”体系，通过宏基因组、转录组和定量分析等方法研究了硝酸盐还原-亚铁氧化过程及其功能微生物，发现亚铁能够增加亚硝酸盐的积累，并抑制氧化亚氮的生成；Rhodocyclus、Pseudogulbenkiania和Dechloromonas是土壤中的优势微生物；配体态亚铁能够促进菌体生长和硝酸盐/亚硝酸盐还原，上调narGH、nirS和nosZ等反硝化基因，以及cyt12和sdhAB等铁代谢基因的表达。.(3)土壤砷氧化微生物机制。构建“土壤-三价砷-硝酸盐”体系，通过宏基因组和定量表达分析探究了硝酸盐还原-砷氧化的微生物机制。发现Pseudogulbenkiania和Azoarcus是驱动硝酸盐还原的关键微生物，分别含有不同的反硝化功能基因；Azoarcus是驱动三价砷氧化的关键微生物，aioA基因含量随反应时间逐步提高。.(4)土壤砷转化固定机制。以砷污染土壤为对象构建“土壤-硝酸盐-有机质”体系，研究了有机质对土壤砷转化固定的作用机制。发现溶解态有机质能够抑制砷氧化，而富含胶体组分的固态有机质生物炭既可作为电子穿梭体加速砷还原释放，又能作为吸附剂固定三价砷。.综上，从热力学与动力学、微生物群落、纯菌等层面，揭示了淹水稻田土壤亚铁-硝酸盐体系砷氧化固定机制及功能微生物，对土壤砷污染控制与修复具有重要指导意义。已发表SCI论文12篇，在国际/国内学术会议做邀请/口头报告4次，申请发明专利1件，培养博士后1人、硕士研究生3人，所获成果已完成本项目的预期目标。