水稻土中微生物發(fā)酵過程對氧化鐵還原的貢獻.pdf

1、水稻土中氧化鐵還原過程與稻田中碳、氮、硫、磷等元素的地球化學(xué)循環(huán)密切相關(guān)，F(xiàn)e(Ⅲ)還原過程同時偶聯(lián)有機污染物的降解及變價重金屬的氧化還原過程，對稻田產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生顯著的抑制作用，因此研究淹水稻田中Fe(Ⅲ)還原過程及其機理具有重要的地球化學(xué)和環(huán)境學(xué)意義。早先對Fe(Ⅲ)還原過程的認知主要集中在沉積物環(huán)境中，大量的研究證實氧化鐵的異化還原過程是沉積物等厭氧環(huán)境中Fe(Ⅲ)還原的主要方式，而兼性共代謝還原過程往往與有機質(zhì)的厭氧分解相偶聯(lián)，

2、被認為是Fe(Ⅲ)還原的次要途徑。然而與沉積物長期處于厭氧環(huán)境不同，稻田水旱輪作的耕作方式所形成的氧化還原環(huán)境交替，使得微生物代謝有機質(zhì)產(chǎn)氫過程成為電子傳遞鏈中的重要環(huán)節(jié)。因此有關(guān)淹水稻田中微生物發(fā)酵有機質(zhì)進行兼性共代謝還原氧化鐵的機理還有待進一步深入。
　　本研究采用厭氧恒溫培養(yǎng)方法，采集我國不同植稻區(qū)的典型水稻土，比較不同水稻土理化性質(zhì)和Fe(Ⅲ)還原特征的差異，揭示影響淹水稻田中Fe(Ⅲ)還原過程的主要因素;通過外源添加不同

3、的小分子有機碳源和調(diào)節(jié)土壤pH條件，研究有機質(zhì)厭氧發(fā)酵過程中微生物群落結(jié)構(gòu)、脫氫產(chǎn)氫過程和Fe(Ⅲ)還原過程之間的相互關(guān)系，揭示微生物發(fā)酵過程中產(chǎn)生小分子有機碳、產(chǎn)氫、產(chǎn)酸對Fe(Ⅲ)還原過程的作用;通過熒光激發(fā)-發(fā)射光譜掃描研究不同水稻土中水溶性有機碳的熒光特性及主要組分，揭示水溶性有機質(zhì)與Fe(Ⅲ)還原過程的關(guān)系;以生物炭為載體，利用其具有高含量的芳香結(jié)構(gòu)和較強的吸附能力這一特點，采用低分子量有機碳修飾生物炭，研究其在促進水稻土Fe

4、(Ⅲ)還原過程方面的潛能，從而將水溶性有機碳的電子傳遞功能和微生物發(fā)酵有機物對Fe(Ⅲ)還原的貢獻這一理論應(yīng)用于實踐。主要的研究結(jié)果如下:
　　(1)水稻土淹水后，F(xiàn)e(Ⅱ)隨淹水時間延長而逐漸累積，不同水稻土間Fe(Ⅲ)還原特征存在顯著差異。在土壤理化性質(zhì)中，有機質(zhì)含量和無定形氧化鐵含量是決定Fe(Ⅲ)還原特征的最主要因素，二者均與Fe(Ⅲ)還原潛勢α和最大Fe(Ⅲ)還原速率Vmax間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，而pH是影響達到最大F

5、e(Ⅲ)還原速率所需時間的主要因素。
　　(2)水稻土中Fe(Ⅲ)還原過程對不同種類碳源調(diào)控的響應(yīng)因土壤不同而存在明顯差異。微生物利用葡萄糖引起的土壤pH降低抑制了酸性水稻土中的Fe(Ⅲ)還原過程。水稻土中微生物利用不同種類碳源為底物的發(fā)酵脫氫產(chǎn)氫過程主要出現(xiàn)在培養(yǎng)初期，產(chǎn)氫能力從強到弱依次為葡萄糖＞丙酮酸鹽＞乳酸鹽，且脫氫酶活性最大值對應(yīng)的時間與微生物鐵Fe(Ⅲ)原反應(yīng)達到最大反應(yīng)速率的時間（Tvmax）具有一致性。培養(yǎng)體系中p

6、H的降低表明H+的產(chǎn)生是微生物發(fā)酵有機碳源的主要產(chǎn)物，以Fe(OH)3為電子受體的還原過程顯著消耗了微生物利用不同種類碳源發(fā)酵產(chǎn)生的的H2。培養(yǎng)體系pH與H2分壓和Fe(Ⅱ)累積量存在極顯著負相關(guān)關(guān)系，說明微生物利用有機碳源發(fā)酵產(chǎn)生有機酸、進而影響脫氫產(chǎn)氫特性并作用于微生物Fe(Ⅲ)還原過程。
　　(3)隨著可利用營養(yǎng)基質(zhì)和鐵受體的消耗，淹水水稻土中的微生物群落和潛在Fe(Ⅲ)還原菌呈現(xiàn)出了顯著的演替。其中Firmicutes是最

7、為優(yōu)勢的類群，隨著淹水時間延長相對豐度逐漸降低;Acidobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi、Proteobacteria和Ignavibacteriae是第二大類優(yōu)勢群，相對豐度均隨淹水時間延長而逐漸升高。外源添加不同濃度葡萄糖為微生物提供了充足的碳源，使微生物群落演替滯后，從而使Firmicutes大量富集，尤其是具有發(fā)酵產(chǎn)氫功能的Clostridium和Bacillus，且該滯后效應(yīng)因碳源濃度的增

8、加而增強。不同濃度葡萄糖富集下水稻土中形成以Bacillus和Clostridium為主、Desulfitobacterium、Solibacillus、Anaeromyxobacter和Paenibacillus等為輔的潛在Fe(Ⅲ)還原菌群。結(jié)合添加不同濃度葡萄糖時微生物脫氫產(chǎn)氫特性和Fe(Ⅲ)還原特征，驗證了不同濃度葡萄糖調(diào)控下潛在Fe(Ⅲ)還原菌群落結(jié)構(gòu)變化與脫氫產(chǎn)氫過程對Bacillus和Clostridium群落結(jié)構(gòu)變化的響

9、應(yīng)共同作用而影響Fe(Ⅲ)還原過程。
　　(4)調(diào)控水稻土初始pH使脫氫產(chǎn)氫過程中微生物活性、相應(yīng)酶活性及Fe(Ⅲ)溶解性發(fā)生改變而進一步作用于Fe(Ⅲ)還原過程。當調(diào)節(jié)酸性和堿性性水稻土初始pH至強酸性或酸性時，淹水培養(yǎng)過程中脫氫酶活性受到顯著抑制，在堿性水稻土中產(chǎn)氫過程受到抑制而酸性水稻土中得以促進。雖然在此情況下酸溶性Fe(Ⅲ)的濃度較未調(diào)節(jié)處理顯著提高，但Fe(Ⅲ)還原過程仍然受初始pH降低的抑制，因此在低pH條件下鐵氧化

10、物的溶解性并非是影響Fe(Ⅲ)還原過程的主要因素。調(diào)節(jié)水稻土初始pH至中性、堿性及強堿性時，微生物的脫氫反應(yīng)及Fe(Ⅲ)溶解性不受pH調(diào)節(jié)影響，其中堿性水稻土調(diào)節(jié)至中性和酸性水稻土調(diào)節(jié)至中性、堿性及強堿性時氫氣分壓顯著降低，使Fe(Ⅲ)還原提前達到最大反應(yīng)速率，體現(xiàn)出Fe(Ⅲ)還原過程對氫氣的利用和消耗。在不同初始pH水稻土Fe(Ⅲ)還原的快速時期，可以表征代謝有機質(zhì)微生物的活性的脫氫酶與Fe(Ⅱ)累積密切相關(guān)。
　　(5)水稻土

11、中微生物對土壤有機質(zhì)發(fā)酵的脫氫產(chǎn)氫過程和潛在Fe(Ⅲ)還原菌群落結(jié)構(gòu)對初始pH調(diào)節(jié)的響應(yīng)直接或間接地影響著水稻土中的Fe(Ⅲ)還原過程。當調(diào)節(jié)酸性水稻土至堿性后細菌群落結(jié)構(gòu)受pH調(diào)節(jié)影響較小，淹水初期Firmicutes受初始pH調(diào)節(jié)相對豐度有所提高。堿性水稻土中Proteobacteria占細菌的比例隨初始pH調(diào)節(jié)至酸性而升高，細菌群落結(jié)構(gòu)因pH調(diào)節(jié)而存在較大差異。酸性水稻土中潛在Fe(Ⅲ)還原菌相對豐度較未調(diào)節(jié)處理有所提高，對應(yīng)于提

12、高的Fe(Ⅲ)還原對H2的消耗和提前達到的最大Fe(Ⅲ)還原速率;堿性水稻土中潛在Fe(Ⅲ)還原菌在淹水初期受pH調(diào)節(jié)抑制后，于淹水5 d-20 d相對豐度升高，對應(yīng)于淹水初期受抑制的Fe(Ⅲ)還原過程和淹水中后期顯著的Fe(Ⅱ)累積。
　　(6)通過對不同水稻土水溶性有機碳三維熒光光譜掃描鑒定發(fā)現(xiàn)4個共有的類腐殖酸熒光組分，其來源以外源輸入為主，內(nèi)源輸入為輔。水溶性有機碳的腐殖化系數(shù)與Fe(Ⅲ)還原特征參數(shù)存在顯著的相關(guān)關(guān)系。其

13、中以陸源的大分子量UVC類腐殖酸對Fe(Ⅲ)還原特征的貢獻最高，陸源的UVC+UVA類腐殖酸和海源的UVA海洋腐殖酸與Fe(Ⅲ)還原特征參數(shù)的相關(guān)關(guān)系也達到顯著或極顯著水平，而水溶性有機碳含量的貢獻最小。推測水稻土中水溶性有機碳的腐殖化程度及其中各類腐殖酸組分的含量與水稻土Fe(Ⅲ)還原能力正相關(guān)。
　　(7)生物炭添加可以促進水稻土中微生物Fe(Ⅲ)還原能力，且促進作用隨著生物炭粒度減小而逐漸增強。究其原因，一方面生物炭的水溶性

14、有機碳作為電子穿梭體加速了Fe(Ⅲ)還原過程;另一方面生物炭的添加促進了游離氧化鐵和硝態(tài)氮含量對Fe(Ⅲ)還原過程的貢獻。采用葡萄糖修飾生物炭不僅可以促進水稻土中氧化鐵的還原過程，也可以緩減生物炭的“堿性基團”引起的pH升高，且生物炭粒度越小作用越顯著。
　　通過本文的研究，對水稻土中微生物Fe(Ⅲ)還原過程相關(guān)的環(huán)境條件和Fe(Ⅲ)還原微生物的群落結(jié)構(gòu)與功能有了更深入的認識，探討了水稻土淹水過程中微生物發(fā)酵有機質(zhì)對Fe(Ⅲ)還原