水稻土中微生物电营养体驱动的溶解有机质分子转化机制及其碳循环意义

本研究针对电营养微生物如何影响水稻土溶解有机质(DOM)分子转化这一科学问题，通过构建土壤微生物电合成系统(MESs)，结合高分辨质谱和宏基因组技术，发现电营养活动使DOM芳香化程度提升3.5-4.4倍，揭示了Pseudomonas等关键菌群通过rTCA循环和CBB循环将CO2固定为稳定有机碳的机制，为土壤碳封存提供了新见解。

　　

在应对全球气候变化的背景下，土壤碳循环研究正成为环境科学领域的热点。水稻土作为全球重要的耕地类型，其溶解有机质(DOM)的动态变化直接影响碳储存与温室气体排放。然而，电营养微生物这一特殊功能群体如何参与DOM分子转化，长期以来如同一个"黑箱"。传统研究多关注有机质降解过程，而对微生物利用电极电子驱动DOM合成的机制知之甚少。

深圳职业技术学院（Shenzhen Polytechnic University）的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表的研究，首次揭示了电营养微生物驱动DOM分子转化的精细机制。研究人员创新性地将微生物电合成系统(MESs)引入土壤微宇宙实验，通过施加阴极偏压模拟自然电子供体，结合傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)和基因组中心宏基因组学技术，构建了从微生物功能到分子转化的完整证据链。

关键技术包括：1)构建土壤微生物电合成系统监测电子通量；2)采用高分辨Orbitrap-MS解析DOM分子组成；3)基因组注释分析CO₂固定途径；4)从广东东莞水稻田采集0-20 cm土层样本建立微宇宙体系。

【Changes in DOM optical characteristics associated with the microbial electrotrophy】

电流监测显示封闭系统(soil-CC120)累计消耗电子117.9±7.5 C。DOM光学特性分析表明，电营养活动使溶解有机碳(DOC)浓度提升2.6倍，芳香类和单宁类物质分别增加3.5倍和4.4倍，证实电营养过程促进DOM结构复杂化。

【关键菌群与代谢途径】

宏基因组分析发现Pseudomonas、Geobacter等电营养菌相对丰度从0.02-0.72%激增至1.65-13.68%。这些菌群通过还原性三羧酸循环(rTCA)和Calvin-Benson-Bassham(CBB)循环固定CO₂，将不稳定有机碳转化为芳香结构。

【Conclusion】

研究首次阐明电营养菌通过"胞外电子摄取-CO₂固定"偶联机制促进DOM稳定化。该发现不仅拓展了对土壤碳循环的认知，为开发基于电微生物学的碳封存技术提供了理论依据，也为评估农田生态系统碳汇潜力提供了新指标。