兴凯湖湿地异化铁还原过程及其对有机质矿化的作用机制

Dissimilatory iron reduction (DIR), an important biogeochemical process in wetland sediments, is vital for organic matter mineralization. Although studies of DIR are in the ascendant, few studies paid attention to typical freshwater marshes, especially on the functional mechanisms of organic matter mineralization in the middle and high latitude regions. Taking the wetland sediments in Lake Xingkai (the Sino-Russian transboundary lake) in Northeast China, this project intends to (1) study the contents and distribution characteristics of iron by pore water chemistry and solid-phase chemical analysis method and further explain iron distribution patterns in different forms; (2) figure out effects of different electron donor and electron shuttle addition on DIR characteristics and methane emissions with the Logistic model; (3) analyze the characteristics of different carbon utilization by dissimilatory iron-reducing microbial community and clarify the relationship of C-Fe system in sediments; and (4) evaluate the contribution of DIR and sulfate reduction to organic matter mineralization budget by the 35SO42- tracer technique. Our results will provide academic reference for deepening knowledge of elements (iron, carbon and sulfur) biogeochemical cycle in wetlands, Northeast China.

异化铁还原是湿地沉积物中重要的生物地球化学过程，也是有机质矿化的主要途径之一。基于厌氧环境下异化铁还原过程研究方兴未艾，然而中高纬地区典型淡水沼泽湿地异化铁还原过程机理及其对有机质矿化作用机制尚不明确。本项目拟以国际界湖兴凯湖湿地为研究对象，运用孔隙水化学和铁的固相化学分析方法，研究兴凯湖湿地不同形态铁的含量及分布特征，揭示兴凯湖湿地不同形态铁的变化规律；运用Logistic模型明确不同电子供体和电子穿梭物质添加与异化铁还原特征、甲烷排放的相互关系，分析异化铁还原微生物群落对不同碳源利用特征，阐明沼泽湿地中碳-铁体系的相互制约关系；借助35SO42-示踪技术评估兴凯湖湿地异化铁还原和硫酸盐还原对有机质矿化的贡献。本研究结果将为深入开展东北地区沼泽湿地铁、碳、硫等元素生物地球化学循环关键过程的研究提供科学依据。

湖泊沉积物因其独特的厌氧及有机质沉积环境而成为异化铁还原代谢过程的主要场所。本研究选取中俄界湖兴凯湖流域不同生境沉积物为研究对象，明确了不同铁形态含量及其分布特征，分析了不同碳源添加对异化铁还原过程的影响，评估了异化铁还原在有机质矿化过程中的贡献。主要研究结论如下：游离态铁和碳酸盐结合态铁含量在不同生境中具有显著性差异。RDA分析表明，透明度、水温、pH、叶绿素含量以及盐度与不同铁形态含量密切相关。电子穿梭物质AQDS和葡萄糖的添加显著提升了异化铁还原过程，表明了兴凯湖沉积物铁还原潜势。异化铁还原过程在小兴凯湖（54%）和东北泡子（59%）有机质矿化过程中占主要地位，大兴凯湖中异化铁还原过程仅占14%。尽管兴凯湖流域受人类活动影响强烈，沉积物中酸性挥发性硫（AVS）和铬还原性硫（CRS）含量测定均为负值，表明不足以进行持续的硫还原过程。未来两年计划利用结余经费对兴凯湖异化铁还原微生物多样性及群落结构进行研究。本研究结果有助于理解淡水湖泊沉积物中异化铁还原等地球化学物质循环过程，并对湖泊管理提供一定指导意义。