Fate of carbon influenced by the in-situ growth of phototrophic biofilms at the soil-water interface of paddy soil  

光養(yǎng)生物膜在稻田土壤-水界面的原位生長(zhǎng)對(duì)碳?xì)w宿的影響  

來源： Science of the Total Environment, Volume 908, 2024, Article 168451  

《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》期刊，2024年 第908卷，文章編號(hào)168451  

 

摘要內(nèi)容

 

研究探討了稻田土壤中原位生長(zhǎng)的光養(yǎng)生物膜（PBs）對(duì)碳?xì)w宿的影響。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：  

溫室氣體減排：PBs的生長(zhǎng)使白天CH?排放降低79%（圖1B），CO?排放降低33%（圖1C），全球增溫潛勢(shì)（GWP）降低72%（圖1D）。  

 

 

溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）轉(zhuǎn)化：PBs減緩DOM分解速率（從>30.4%降至<16%），促進(jìn)CHO類化合物生成（圖2），抑制深層有機(jī)硫化合物分解。  

 

 

作用機(jī)制：  

 

通過Unisense微電極證實(shí)PBs提升土壤O?濃度（從30增至350 μmol/L）和滲透深度（從2.25 mm增至11.76 mm）（圖3A）。  

 

 

改變微生物群落：抑制產(chǎn)甲烷菌（如Methanosaeta豐度降低至0.1%），促進(jìn)甲烷氧化菌（如Methylobacterium豐度提升）（圖4B, F）。  

 

上調(diào)rbcL（CO?固定基因）和pmoA（甲烷氧化基因），下調(diào)mcrA（產(chǎn)甲烷基因）（圖4D-F）。  

 

研究目的

量化PBs原位生長(zhǎng)對(duì)稻田CH?和CO?排放的影響。  

 

闡明PBs調(diào)控DOM轉(zhuǎn)化的微生物與化學(xué)機(jī)制。  

 

揭示PBs通過氧擴(kuò)散改變土壤微環(huán)境的關(guān)鍵過程。  

 

研究思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

構(gòu)建光照（16h光/8h暗）與黑暗（24h暗）微宇宙體系（圖1A）。  

 

監(jiān)測(cè)30天內(nèi)CH?/CO?通量、DOM組成、微生物群落及功能基因動(dòng)態(tài)。  

多尺度監(jiān)測(cè)：  

 

氣體通量：GC測(cè)定CH?/CO?排放（圖1B-C）。  

 

DOM轉(zhuǎn)化：UPLC-Q-Exactive質(zhì)譜分析分子組成（圖2）。  

 

微環(huán)境：Unisense微電極測(cè)量O?/pH剖面（圖3）。  

 

微生物群落：16S rRNA測(cè)序及功能基因芯片分析（圖4）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

氣體排放數(shù)據(jù)（圖1B-C）：  

 

數(shù)據(jù)：光照組累計(jì)CH?排放227 mmol·m?2（較黑暗組低79%），CO?排放1842 mmol·m?2（低33%）。  

 

意義：證實(shí)PBs通過光合作用固定碳并抑制溫室氣體釋放，為稻田減排提供生物策略。  

DOM組成數(shù)據(jù)（圖2）：  

 

數(shù)據(jù)：光照組DOM分解率<16%（黑暗組>30.4%），表層（0-10 mm）CHO化合物增加34%。  

 

意義：揭示PBs通過分泌代謝產(chǎn)物改變DOM化學(xué)多樣性，延緩碳礦化，增強(qiáng)土壤碳固存。  

微生物與基因數(shù)據(jù)（圖4）：  

 

數(shù)據(jù)：甲烷氧化菌（如Methylobacterium）豐度提升，產(chǎn)甲烷菌（如Methanosaeta）豐度降至0.1%；pmoA基因上調(diào)，mcrA基因下調(diào)。  

 

意義：闡明PBs通過調(diào)控功能微生物群落平衡碳循環(huán)，抑制產(chǎn)甲烷途徑并強(qiáng)化甲烷氧化。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

數(shù)據(jù)來源：圖3展示O?和pH微剖面（空間分辨率0.1 mm）。  

 

研究意義：  

高分辨率氧動(dòng)態(tài)：直接量化PBs導(dǎo)致的O?濃度梯度（表層350 μmol/L vs 黑暗組30 μmol/L），證實(shí)光合作用驅(qū)動(dòng)氧化微區(qū)擴(kuò)展（滲透深度達(dá)11.76 mm）。  

 

機(jī)制關(guān)聯(lián)：O?擴(kuò)散深度與甲烷氧化菌豐度正相關(guān)（圖4F），為"氧化抑制產(chǎn)甲烷"提供實(shí)證。  

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：亞毫米級(jí)分辨率捕捉土壤-水界面氧化還原躍變，克服傳統(tǒng)方法無法解析微區(qū)過程的局限。  

 

結(jié)論

PBs的碳調(diào)控作用：  

 

通過釋放O?提升土壤氧化性，抑制產(chǎn)甲烷菌并激活甲烷氧化菌，顯著降低CH?排放。  

 

減緩DOM分解，促進(jìn)穩(wěn)定碳組分（如CHO）積累，增強(qiáng)土壤碳固存潛力。  

應(yīng)用價(jià)值：PBs可作為低成本生物工具，通過調(diào)控光照管理實(shí)現(xiàn)稻田溫室氣體減排（CH?降低79%）與碳固持協(xié)同增效。  

 

局限性：PBs效應(yīng)受光照周期調(diào)控，夜間減排效果較弱，需結(jié)合田間管理優(yōu)化。