亚铁氧化耦合硝酸盐还原过程的氮氧同位素特征研究

The Fe(II) oxidation and nitrate reduction mediated by nitrate-dependent Fe(II) oxidation microorganism is one of the most important processes in biogeochemical cycles of iron (Fe) and nitrogen (N) in the environment. Under anaerobic conditions, the environmental reduction of nitrate and nitrite is widely regarded as the result of microbial process. However, recent studies indicated that the chemical reduction of nitrate and nitrite by Ferris, whether mineral-bound or surface-associated, may also occur under relevant conditions. Nitrogen and oxygen stable isotopes potentially offer a unique approach to distinguish and study these two reactions and to improve our understanding of microbial and chemical process. The objectives of this project are as follows. (1) With a range of experimental conditions, we examine the kinetics of nitrate/ nitrite reduction and nitrous oxide production, and also the stable N and O isotope systematics during nitrate reduction in order to investigate the biotic and abiotic processes in nitrite reduction coupled with anaerobic Fe(II) oxidation system. (2) A combined methods such as chemical reaction kinetics, isotopic fractionation of N and O, mineral analysis, clone libraries and terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) analysis will be also conducted to explore the biotic and abiotic processes of nitrite reduction coupled with anaerobic Fe(II) in soil under relevant conditions. This work contributes to improve our ability to identify and evaluate the biotic and abiotic processes in coupling mechanism of Fe-N cycling in the environment.

硝酸盐依赖的亚铁氧化作为微生物介导的中性亚铁氧化类型之一，是联系铁-氮耦合循环的重要过程。通常认为在厌氧环境下，硝酸盐和亚硝酸盐的还原过程主要是微生物作用的结果。然而，近年来研究发现吸附态和矿物结合态的亚铁也具有还原硝酸盐和亚硝酸盐的能力。氮、氧同位素能用于表征和区别其中同时发生的非生物与生物作用。拟申请项目将通过模拟中性厌氧条件的批处理实验，研究亚铁氧化耦合硝酸盐还原过程中反应物以及产物的反应动力学以及氮、氧同位素分馏特征，用以识别生物和非生物作用过程；同时通过稻田土壤体系模拟实验，结合反应动力学和同位素分馏特征、矿物表征和微生物群落分析等手段，揭示稻田土壤硝酸盐依赖亚铁氧化的生物与非生物作用过程，以期为土壤铁-氮耦合作用机制研究提供理论基础。

硝酸盐依赖的亚铁氧化作为微生物介导的中性亚铁氧化类型之一，是联系铁-氮耦合循环的重要过程。通常认为在厌氧环境下，硝酸盐和亚硝酸盐的还原过程主要是微生物作用的结果。然而，近年来研究发现吸附态和矿物结合态的亚铁也具有还原硝酸盐和亚硝酸盐的能力。氮、氧同位素能用于表征和区别其中同时发生的非生物与生物作用。项目建立了不同批处理体系中硝酸盐和亚硝酸 N、 O 同位素（δ15N 和δ 18O） 的测定方法，为研究硝酸盐还原亚铁氧化微生物体系的亚铁氧化过程提供了的技术支持。通过模拟中性厌氧条件的批处理实验，研究亚铁氧化耦合硝酸盐还原过程中反应物以及产物的反应动力学以及氮、氧同位素分馏特征，研究中有、无Fe（II）条件下18ε：15ε的比值分别为0.73±0.13和0.50±0.08，表明Strain 2002介导的硝酸盐还原亚铁氧化过程中Nap为主要的还原酶。建立了基于酶的基本反应的动力学模型，并测得了菌体系中硝酸盐还原酶的速率常数。研究表明通过结合双N-O同位素分馏和动力学模型，可有助于深入了解硝酸盐还原亚铁氧化过程中多种酶促途径。项目研究了在不同温度条件下，化学反硝化过程中的亚硝酸盐还原和Fe（II）氧化动力学和N-O同位素的分馏比值，在15℃、25℃和35℃温度下N-O同位素的分馏比值分别为0.76 ± 0.04, 0.54 ± 0.04和0.47 ± 0.06，表明18ε：15ε是区分化学反硝化和生物反硝化途径的潜在标志。通过稻田土壤体系模拟实验，结合反应动力学和矿物表征和微生物群落分析等手段，揭示了稻田土壤硝酸盐依赖亚铁氧化的生物作用过程。研究结果可以为土壤铁-氮耦合作用机制研究提供理论基础。在课题实施期间，相关成果共发表论文3篇，投稿在审论文1篇。依托本项目，共培养4名研究生。