稻田微好氧亚铁氧化耦合二氧化碳同化的机制与母质效应

Neutrophilic, microaerophilic iron oxidation coupled with carbon dioxide assimilation is a biogeochemical process mediated by unique bacteria. It has great potential to couple iron and nutrient cycling at redox boundary. Substantial numbers of microaerophilic iron-oxidizing bacteria (FeOB) has been obtained from freshwater and wetland in recent years, and paddy soil is also an ideal environment for this process. Our proposed study will focus on microaerophilic iron oxidation coupled with carbon dioxide assimilation in representative paddy fields developed by different parent materials (e.g. shallow-sea sediment, limestone soil, granite soil, and quaternary red earth) in red soil. Here, we will establish gel-gradient tube cultures and combine 13C-DNA stable isotope probe with advanced molecular biological methods to: (1) elucidate the mechanisms and effects of ferrous substrates in microaerophilic iron oxidation coupled with carbon assimilation; (2) elucidate the chemical and microbial mechanisms and effects of parent materials in this process; (3) explore the microbial community structure, functional microorganisms and functional genes of iron oxidation and carbon assimilation. This work will elucidate the molecular mechanisms of microaerophilic iron oxidation coupled with carbon dioxide assimilation, enhance the understanding of biogeochemical cycling of Fe-C, and provide scientific knowledge for carbon fixation and sustained utilization of paddy soil.

中性微好氧亚铁氧化耦合二氧化碳同化是由特定微生物驱动的地球化学过程，是联结铁循环与重要生源要素循环的纽带。近年来已在淡水、湿地等环境发现了大量的微好氧亚铁氧化菌，稻田也是发生这一过程的理想场所。本申请以红壤区浅海沉积物、石灰岩、花岗岩和第四纪红粘土等母质发育的代表性稻田为对象，以微好氧亚铁氧化耦合二氧化碳同化为核心过程，建立凝胶梯度管培养体系，采用稳定同位素核酸探针技术结合分子生物学手段，首先，以代表性亚铁底物富集培养微好氧亚铁氧化细菌，阐明微好氧亚铁氧化耦合二氧化碳同化的底物效应与机制；其次，从化学和功能微生物群落两个方面阐明母质效应与机制；最后，重点阐明微生物在亚铁氧化耦合碳转化过程中的角色与功能，在功能群落、关键微生物、功能基因水平上阐明了上述耦合过程的分子生物学机制，为深入理解稻田铁/碳元素的生物地球化学循环及水稻土固碳培肥过程提供科学依据。

在富铁的淡水和海洋环境中, 微生物驱动的中性微好氧亚铁氧化过程能够耦合碳同化过程; 而针对我国华南红壤关键带稻田土壤中的这一耦合过程却鲜有报道.本项目以红壤区代表性水稻土为对象，首先以代表性亚铁底物富集培养微好氧亚铁氧化细菌，阐明微好氧亚铁氧化耦合二氧化碳同化的底物效应与机制；其次，研究土壤母质对微好氧亚铁氧化耦合碳同化过程的动力学及微生物群落的影响机制；最后，采用稳定同位素探针技术j研究亚铁氧化菌以及参与碳同化的功能微生物。主要结论包括：(1)在FeS、FeCO3和Fe3(PO4)2上生长的细菌生长速率、亚铁氧化速率、碳同化量及微生物群落均有差异。宏基因组学技术分析了潜在化能自养微生物包括已报道的微好氧亚铁氧化细菌 (如Leptothrix和Sideroxydans)、硝酸盐还原亚铁氧化菌 (如Dechloromonas和Acidovorax)和Magnetospirillum。(2)以花岗岩、浅海沉积物和石灰岩发育的土壤培养的亚铁氧化菌氧化亚铁速率排序如下：花岗岩>浅海沉积物>石灰岩，微生物群落结构具有明显差异，但Magnetospirillum在三个富集群落中均为优势菌，表明其在土壤微好亚铁氧化过程的重要作用。(3)结合稳定同位素探针技术和高通量测序技术研究水稻土微好氧亚铁氧化过程中自养微生物。通过对比12C和13C重密度梯度层中微生物群落结构的变化，发现参与碳同化的功能微生物为Rhodocyclaceae科的未培养菌Uncultured bacteria和Paenibacillus。其中Uncultured bacteria与水稻土中分离得到的硝酸盐还原亚铁氧化菌相似度达100%，表明硝酸盐还原亚铁氧化菌也可以O2作为电子受体，并利用无机碳源在有氧-无氧交界面进行自养生长。上述结果表明稻田土壤中存在微生物驱动的微好氧亚铁氧化耦合碳同化过程，可为探讨红壤关键带的稻田土壤铁-碳元素转化耦合过程提供新的视角。