Fe(II)形态对水稻土微好氧铁氧化耦合碳同化动力学、微生物网络及代谢功能的调控机制

《Environmental Technology & Innovation》：Insights into Fe(II) speciation influence on kinetics, microbial networks, and metabolism in Fe(II) oxidation coupled with carbon assimilation in paddy soil

本研究针对Fe(II)形态如何影响水稻土中微好氧铁氧化细菌（FeOB）的生态功能这一关键科学问题，通过梯度管培养技术比较了FeS、FeCO3和Fe3(PO4)2三种铁源对FeOB群落结构、铁氧化动力学及碳同化效率的调控作用。研究发现不同Fe(II)底物通过选择特异性关键物种（如Azospira、Curvibacter等）驱动微生物共现网络模块化组装，并显著影响cyc2（铁氧化）和rbcLS（碳固定）功能基因的表达谱。该成果揭示了铁形态驱动下的微生物碳封存新机制，为农业土壤固碳减排策略提供了理论依据。

　　

在全球气候变化和粮食安全双重挑战下，土壤碳汇功能日益受到关注。水稻土作为重要的人工湿地生态系统，其独特的干湿交替环境形成了复杂的氧化-还原界面，成为铁循环驱动碳转化的热点区域。其中，微好氧铁氧化细菌（FeOB）能够利用Fe(II)作为能源、CO₂作为碳源进行化能自养生长，理论上具备同时实现铁氧化和碳固定的双重功能。然而，自然环境中Fe(II)以多种形态存在（如硫化物、碳酸盐、磷酸盐等），这些不同形态的铁矿物如何影响FeOB的生态位分化和代谢功能，进而调控铁碳耦合循环效率，仍是当前研究的空白点。

针对这一科学问题，来自广州医科大学附属番禺中心医院脊柱外科的研究团队在《Environmental Technology》上发表了最新研究成果。研究人员以华南红壤区水稻土为研究对象，通过构建FeS、FeCO₃和Fe₃(PO₄)₂三种Fe(II)底物的梯度管培养体系，结合动力学分析、微生物网络构建和宏基因组学技术，系统揭示了Fe(II)形态对FeOB功能调控的分子生态机制。

本研究主要采用以下关键技术方法：首先利用梯度管培养系统模拟水稻土微好氧环境，对华南植物园采集的水稻土样本进行FeOB富集培养；通过DAPI染色荧光显微镜技术监测微生物生长动态，采用氯仿熏蒸提取法测定¹³C标记的微生物生物量碳；利用X射线衍射和扫描电镜表征铁矿物转化；基于16S rRNA基因测序构建微生物共现网络；最后通过Illumina宏基因组测序解析功能基因分布。

研究结果主要包括以下发现：

3.1. 不同Fe(II)源对微好氧FeOB富集效果的比较

梯度管培养15天后，FeS和FeCO₃处理出现锈色氧化带，Fe₃(PO₄)₂处理则形成白色菌带。转移培养过程中，FeCO₃组的细胞产量最高（9.3×10⁶ cells/mL），但随传代次数增加所有处理均出现生长衰减。

3.2. 不同Fe(II)源对微好氧FeOB铁氧化作用的比较

动力学分析显示铁氧化速率依次为FeCO₃（0.391 mM d^-1）> FeS（0.213 mM d^-1）> Fe₃(PO₄)₂（0.131 mM d^-1），这与矿物溶解度（FeS > FeCO₃ > Fe₃(PO₄)₂）呈正相关。XRD显示所有氧化产物均为无定形态。

3.3. 不同Fe(II)源对微好氧FeOB碳同化的比较

¹³C标记实验表明Fe₃(PO₄)₂处理碳同化效率最高（1.4%），显著高于FeS（0.89%）和FeCO₃（0.53%），说明低铁氧化速率反而有利于碳固定。

3.4. 不同Fe(II)源培养物的微生物组成和共现网络

微生物网络分析发现：FeS网络以Azospira、Rhodocyclales为关键种；FeCO₃网络以Comamonadaceae为核心；Fe₃(PO₄)₂网络则由Curvibacter和Magnetospirillum主导。FeCO₃处理具有最高的网络连接度（444条边），表明其微生物互作最复杂。

3.5. 不同Fe(II)源关联的微好氧铁氧化功能谱

宏基因组分析显示：FeCO₃处理cyc2基因（编码铁氧化酶）丰度最高；Fe₃(PO₄)₂处理rbcLS基因（编码RuBisCO）表达最强。终端氧化酶基因分布具底物特异性：FeS富集aa₃型（高氧亲和力），FeCO₃偏好cbb₃型（低氧适应）。

讨论部分深入剖析了上述现象的机制：FeCO₃的高溶解度导致快速化学氧化，既与微生物竞争Fe(II)又引起细胞表面铁氧化物包埋，反而抑制碳同化；而Fe₃(PO₄)₂溶解缓慢，其释放的PO₄^3-还能抑制铁氧化物沉淀，为微生物创造更有利的生长环境。研究还发现硝酸盐还原型FeOB（如Thiobacillus）在微好氧条件下可能通过代谢可塑性参与铁氧化碳同化过程。

该研究的创新性在于首次建立了Fe(II)形态-关键物种-功能基因-生态功能的关联框架，证实了不同铁矿物通过调控微生物互作网络和代谢通路，最终影响土壤碳汇效率。这一发现不仅深化了对铁碳耦合生物地球化学循环的理论认识，还为通过调控土壤铁形态来增强农田碳封存提供了新思路，对实现农业可持续发展具有重要实践价值。