Photic Biofilms Mediated Distant Nitrate Reduction at the Soil-Water Interface of Paddy Fields

光生物膜介導了稻田土壤-水界面的遠處硝酸鹽還原

來源：ACS Earth Space Chem. 2021, 5, 1163?1171

 

一、摘要概述

 

本研究揭示了稻田土壤-水界面（SWI）的光生物膜通過生物電化學機制介導深層硝酸鹽還原的過程。關鍵發現包括：

 

硝酸鹽還原加速：添加光生物膜的處理組硝酸鹽還原速率常數（kobs）較對照組提高1.7倍（圖1A）。

 

 

氧化還原震蕩驅動：光生物膜引發SWI的晝夜氧化還原震蕩（Eh波動），促進非晶態鐵礦物形成（圖2A）。

 

 

微生物-礦物協同：非晶態鐵礦物（如水鐵礦）作為電子載體，富集電活性微生物（如鞘氨醇單胞菌科）和反硝化菌（如羅丹桿菌科），通過胞外電子傳遞加速硝酸鹽還原（圖4-5）。

 

 

 

二、研究目的

 

驗證光生物膜的作用：探究光生物膜對稻田土壤硝酸鹽還原的影響。

 

揭示鐵礦物轉化機制：闡明光生物膜如何通過氧化還原震蕩驅動鐵礦物從晶態（如針鐵礦）向非晶態（如水鐵礦）轉化。

 

解析生物電化學途徑：明確電活性微生物與非晶態鐵礦物的協同如何促進硝酸鹽還原。

 

三、研究思路

 

采用 “原位柱實驗→多尺度分析→機制驗證” 策略：

 

實驗設計：

 

對照組：無光生物膜的稻田土壤柱。

 

處理組：添加0.12 g光生物膜（含藻類、細菌）的土壤柱。

 

滅菌對照組：添加滅菌光生物膜，排除溶解性有機物（DOM）干擾。

 

動態監測：

 

硝酸鹽與N?O：每7天測定土壤硝酸鹽殘留（溴氨酸比色法）和N?O產量（氣相色譜法）。

 

氧化還原電位（Eh）：Unisense微電極（MM33型）原位測量土壤剖面Eh（0-4.5 cm深度）。

 

多組學分析：

 

鐵形態：HCl提取Fe(II)/Fe(III)（分光光度法）、XRD鑒定礦物相、EPR分析非晶態鐵（圖3）。

 

 

微生物群落：MiSeq測序分析細菌組成（圖4）、qPCR定量反硝化基因（nirK,nirS,nosZ）。

 

電化學特性：電化學阻抗譜（EIS）評估土壤電子傳遞能力（圖3C）。

 

四、關鍵數據及研究意義

1. 硝酸鹽還原動力學（圖1A）

 

數據來源：土壤柱28天培養實驗（圖1A）。

 

結果：處理組硝酸鹽去除率（89.8%）顯著高于對照組（67.8%），kobs提高1.7倍。

 

意義：光生物膜通過非DOM依賴機制加速硝酸鹽還原，且抑制N?O排放（圖1B），減少溫室氣體釋放。

 

2. 氧化還原震蕩與鐵轉化（圖2）

 

數據來源：Unisense電極剖面Eh數據（圖2A）、HCl提取Fe(II)/Fe(III)（圖2B-C）。

 

結果：

 

光生物膜使表層水Eh升高（295 mV vs. 278 mV），減緩深層Eh下降速率。

 

處理組Fe(II)積累量（1070.4 mg kg?1）顯著高于對照組（678.8 mg kg?1）。

 

意義：晝夜光合-呼吸循環引發Eh震蕩，促進晶態鐵（針鐵礦）向非晶態鐵（水鐵礦）轉化，增加微生物可利用鐵庫。

 

3. 非晶態鐵礦物與電子傳遞（圖3）

 

數據來源：EPR譜（圖3A）、g因子分析（圖3B）、EIS譜（圖3C）。

 

結果：

 

EPR顯示處理組非晶態鐵信號（g=2.001）增強，表明水鐵礦富集。

 

EIS顯示處理組電荷轉移電阻降低，證實非晶態鐵提升土壤導電性。

 

意義：非晶態鐵作為“地質電池”，介導電子從Fe(II)向反硝化菌傳遞，推動硝酸鹽還原。

 

4. 微生物群落重構（圖4-5）

 

數據來源：16S rRNA測序（圖4）、共現網絡分析（圖5）。

 

結果：

 

處理組富集電活性菌（鞘氨醇單胞菌科、黃色桿菌科）、鐵還原菌（地桿菌屬）和反硝化菌（羅丹桿菌科）。

 

共現網絡顯示三類微生物形成緊密互作模塊（圖5C-D），nirK基因拷貝數顯著增加。

 

意義：光生物膜通過Eh震蕩創造“氧化-缺氧”過渡帶，富集功能微生物群落，協同驅動硝酸鹽還原。

 

五、結論

 

光生物膜的核心作用：通過光合-呼吸循環引發SWI晝夜Eh震蕩，驅動晶態鐵向非晶態轉化。

 

生物電化學機制：非晶態鐵礦物作為電子載體，橋接Fe(II)氧化與反硝化過程，加速硝酸鹽還原。

 

生態意義：為稻田氮循環調控提供新視角，光生物膜可作為綠色工具減少氮污染。

 

六、丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

1. 技術原理與實驗設計

 

原理：Unisense MM33微電極基于安培法，通過鉑/金電極表面氧化還原反應產生的電流信號計算Eh（mV）。

 

設計：

 

垂直剖面監測：電極以100 μm分辨率掃描0-4.5 cm深度剖面（圖2A）。

 

光暗周期模擬：同步記錄光照（2800 Lux）與黑暗條件下的Eh動態。

 

2. 關鍵結果與生態意義

 

Eh梯度分異：

 

表層水（0-1 cm）：光生物膜使Eh升高17 mV（295 vs. 278 mV），因藻類光合釋氧。

 

過渡層（1-3 cm）：Eh下降速率減緩（處理組ΔEh=275 mV，對照組ΔEh=292 mV），反映氧化還原緩沖能力增強。

 

晝夜震蕩機制：

 

光照期：藻類光合作用抬升Eh，抑制Fe(II)積累。

 

黑暗期：微生物呼吸耗氧，Eh驟降促進Fe(III)還原。

 

對鐵循環的意義：

 

Eh震蕩驅動鐵礦物動態轉化：高Eh促進Fe(II)氧化生成非晶態Fe(III)，低Eh觸發Fe(III)還原溶解，形成“鐵泵”效應。

 

非晶態鐵礦物作為電子中介體，提升土壤導電性（EIS驗證），支持長程電子傳遞至反硝化菌。

 

3. 對硝酸鹽還原的貢獻

 

直接證據：Eh震蕩與非晶態鐵富集正相關（R2=0.76），后者與kobs顯著正相關。

 

間接調控：Eh梯度塑造功能微生物分區：

 

表層好氧區富集電活性菌（傳遞電子）。

 

深層厭氧區富集反硝化菌（接收電子還原NO??）。

 

總結

 

本研究首次揭示光生物膜通過生物電化學耦合機制（Eh震蕩→鐵礦物轉化→電子傳遞）遠程調控稻田深層硝酸鹽還原。丹麥Unisense電極提供的關鍵Eh剖面數據，量化了土壤-水界面的氧化還原梯度動態，為解析鐵-氮循環耦合機制提供了原位證據。未來研究可探索光生物膜工程化應用，優化稻田氮管理。