厌氧水稻土中梭菌和芽孢杆菌的群落结构特征及其对异化铁还原的贡献

异化铁还原作用对水稻土中有机物的降解、抑制水稻土中甲烷产生、土壤中部分变价重金属污染的生物修复及土壤磷、硫等营养元素转化具有重要的作用。厌氧水稻土中梭菌和芽孢杆菌分布广泛且丰度高，其发酵能力和产氢功能已在土壤碳循环及微生物铁还原过程中得以重视。本项目拟以淹水非种植水稻土微环境作为模式系统，系统研究我国不同水稻土中梭菌和芽孢杆菌的群落结构和丰度变化特征；通过对分离菌株的铁还原能力鉴定和序列分析，明确梭菌和芽孢杆菌在异化铁还原作用中的贡献；探讨温度、pH、碳源及氧化铁种类等因素对梭菌和芽孢杆菌群落结构及丰度的影响；采用氢化酶基因敲除方法验证梭菌和芽孢杆菌的异化铁还原机理。为进一步明确我国水稻土中铁还原菌群落结构特征及系统分类、探讨不同水稻土中微生物铁还原能力差异及影响因素提供理论依据。

针对我国6类植稻区的水稻土，系统研究了土壤中微生物铁还原特征及其与土壤性质、环境因素的关系。采用土壤化学与微生物分子生态相结合的方法，揭示了主要植稻区土壤中梭菌和芽孢杆菌等发酵微生物丰度、群落结构及其与铁还原过程的关系，证实了梭菌和芽孢杆菌是水稻土厌氧培养过程中执行铁还原功能的主要种群，阐明了利用发酵型碳源的脱氢与产氢过程对水稻土中微生物铁还原具有重要贡献。对水稻土中微生物铁还原过程机理有了进一步明确的认识，即发酵微生物首先通过代谢发酵型碳源快速产生氢气，共代谢型微生物（兼性铁还原菌）迅速利用H2作为电子供体还原水稻土中的易还原氧化铁（如无定形氧化铁）。通过对产氢模式菌株的基因改造证实，氢酶在菌株产氢及铁还原过程中具有重要作用，并且从氢酶基因丰度与铁还原的关系验证了产氢过程对水稻土中微生物铁还原具有重要贡献的科学假设。分别由16S rDNA和16S r RNA探讨了梭菌和芽孢杆菌在不同水稻土中的丰度和群落结构分布特征。通过对温度、pH值、碳源浓度及磷酸盐浓度等环境因素的调控试验，进一步明确了梭菌和芽孢杆菌丰度、转录活性及群落结构对环境因素响应的变化特征和敏感性，揭示了pH值调控对铁还原过程及微生物群落结构演替过程的作用。