Wetland soil organic carbon balance is reversed by old carbon and iron oxide additions

湿地土壤有机碳平衡被旧的碳和氧化铁添加所逆转

来源：Front. Microbiol. 14:1327265

《微生物学前沿》第14卷，文章编号1327265


摘要内容

研究通过淡水湿地（富碳铁）和盐碱湿地（贫碳铁）的厌氧培养实验，探究赤铁矿（Hem）和褐煤（Lig）添加对土壤有机碳平衡的影响。结果表明：Lig通过促进铁结合有机碳（Fe-OC）形成导致净碳积累（淡水湿地：5.9±3.6 mg g⁻¹；盐碱湿地：8.3±3.2 mg g⁻¹），而Hem通过改变微生物群落结构显著增加有机碳矿化（尤其在淡水湿地）。结晶态铁氧化物单独添加会增强碳矿化，但老碳（富含芳香族和烷基化合物）能促进Fe-OC形成并提高碳持久性。


研究目的

量化铁氧化物介导的有机碳保存与矿化的净效应。


阐明结晶铁氧化物（如赤铁矿）和老碳（褐煤）在湿地碳循环中的作用机制。


为湿地土壤碳汇恢复提供理论依据。


研究思路

实验设计：选取淡水湿地（FW）和盐碱湿地（SW）土壤，设置四组处理（对照、Hem添加、Lig添加、Hem+Lig添加），进行63天厌氧培养。


数据采集：监测Fe(II)产量、CO₂/CH₄排放速率（图3）、铁氧化物结合碳含量（图1-2）、微生物群落结构（图5-6）及pH变化。


机制分析：通过随机森林回归和结构方程模型（图7）解析微生物群落与碳动态的关联。


测量数据及研究意义

铁氧化物与有机碳提取量（图1、图2）：


数据意义：量化不同铁形态（有机络合铁、短程有序铁、晶态铁）对碳保存的贡献，揭示Lig通过钠焦磷酸盐提取态铁（Feₚₚ）显著增加碳保存（C/Feₚₚ达11-48）。

Fe(II)产量与气体排放（图3）：



数据意义：Hem抑制淡水湿地Fe(III)还原菌活性（如Geobacter），但通过富集放线菌（Actinobacteria）和厚壁菌（Firmicutes）增强CO₂排放（FW-Hem累积排放最高）。

微生物群落结构（图5-6）：


数据意义：Hem降低呼吸型铁还原菌（如Geobacter）丰度，但促进发酵型菌（Clostridium）增殖，驱动碳矿化途径转变。

pH数据（文中提及）：


使用丹麦Unisense电极测量意义：精确监测厌氧条件下pH变化（FW初始pH 6.54→处理后期变化），揭示低pH抑制Fe(III)还原菌活性，但促进发酵途径碳分解，为理解铁还原与碳矿化的环境调控提供关键参数。


结论

碳保存与矿化平衡：Lig通过形成Fe-OC实现净碳积累，Hem则因改变微生物群落导致碳损失（图4）。


微生物机制：Hem抑制呼吸型铁还原菌，但富集放线菌等copiotrophs（富营养型微生物），激活非铁依赖的碳矿化途径（如发酵）。


应用价值：添加芳香族老碳（如褐煤）可优先形成稳定Fe-OC，减少铁氧化物引发的碳矿化，适用于湿地碳汇恢复。


Unisense电极数据的详细意义

使用丹麦Unisense微电极测量的pH数据（文中提及在厌氧培养的第4、21、63天监测），揭示了以下机制：

Fe还原菌活性调控：Geobacter等铁呼吸菌的最适pH为6.7-7.0，初始pH降低（如Hem处理）抑制其活性，减少Fe(III)还原驱动的碳矿化。


发酵途径激活：低pH促进Clostridium等发酵菌生长，转向产CO₂的非铁依赖代谢途径，解释为何Hem处理Fe(II)产量低但CO₂排放高（图3B）。


质子动态关联：Fe(III)还原过程消耗质子（H⁺），导致后期pH回升，动态pH变化影响微生物群落演替与碳分解路径选择。


这些数据为理解厌氧条件下pH-微生物-铁碳耦合作用提供了直接证据，是解析碳矿化途径转换的关键参数。