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

旧碳和氧化铁添加逆转湿地土壤有机碳平衡

来源：Frontiers in Microbiology, Volume 14, 08 January 2024, Article ID 1327265

《微生物学前沿》第14卷，2024年1月8日，文章编号1327265


摘要内容


摘要指出：铁氧化物（Fe）可通过吸附和共沉淀稳定有机碳（OC），但微生物铁还原会破坏铁结合有机碳（Fe-OC）并促进OC矿化。本研究通过向淡水和盐碱湿地土壤中添加结晶铁氧化物（赤铁矿，Hem）和老旧碳（褐煤，Lig），探究两者对OC平衡的影响。结果显示：

Lig促进Fe-OC形成，导致OC净积累（淡水湿地：5.9±3.6 mg g⁻¹；盐碱湿地：8.3±3.2 mg g⁻¹）。


Hem抑制微生物Fe(III)还原（降低铁呼吸菌丰度），但通过改变微生物群落结构（如富集放线菌和厚壁菌门）显著增加OC矿化，尤其在淡水湿地造成OC净损失。


Hem和Lig共同添加时，Lig的OC保存效应强于Hem的矿化效应，仍实现OC积累。


研究目的


量化铁氧化物介导的OC保存与矿化的净效应，明确结晶铁氧化物（Hem）和老旧碳（Lig）对湿地土壤碳汇恢复的潜在影响。


研究思路

土壤选择：选取有机碳和铁含量差异显著的淡水湿地（FW，富C/Fe）和盐碱湿地（SW，贫C/Fe）土壤。


处理设计：设置对照（CK）、单独添加Hem、单独添加Lig、Hem+Lig混合添加四组处理，在厌氧条件下培养63天。


动态监测：定期测定Fe(II)产量、CO₂/CH₄排放速率、pH（使用丹麦Unisense微电极）。


终点分析：培养结束后测定铁氧化物结合有机碳（连续提取法）、微生物群落结构（16S rRNA和ITS测序）、SOC化学组成。


机制解析：结合随机森林回归和结构方程模型，揭示微生物群落与OC动态的关联。


测量数据及研究意义

铁氧化物结合有机碳（图1, 图2）


数据：通过连续提取法（焦磷酸钠、羟胺、连二亚硫酸盐）分离不同铁相（有机络合铁、短程有序铁氧化物、结晶铁氧化物）及其结合OC。


意义：量化OC保存机制，揭示Lig通过形成高C/Fe比的有机络合铁（OCₚₚ）显著提升OC稳定性（图2D）。

Fe(II)产量和碳气体排放（图3）

数据：动态监测厌氧培养期间Fe(II)积累量、CO₂/CH₄排放速率及累积量。


意义：反映微生物铁还原活性和OC矿化强度。Hem在淡水湿地中导致最高CO₂排放（图3B），证实其促进OC矿化。

OC保存、矿化及平衡（图4）

数据：计算铁介导的OC保存量、微生物矿化量及净平衡。


意义：明确Lig的净OC积累效应，为湿地碳汇恢复提供依据。


微生物群落结构


数据：细菌/真菌群落α/β多样性、关键菌门（如放线菌、厚壁菌）及铁还原菌（如地杆菌属）相对丰度。


意义：解释Hem通过富集放线菌（降解多环芳烃）和厚壁菌（发酵型铁还原菌）驱动OC矿化（图5C, 图6）。

pH动态


数据：培养第4、21、63天用Unisense电极测定土壤pH。


意义：揭示pH降低抑制铁呼吸菌（最适pH 6.7–7.0），间接影响铁还原路径。


结论

负面效应：单独添加结晶铁氧化物（Hem）通过改变微生物群落（富集放线菌和厚壁菌）增加OC矿化，导致淡水湿地OC净损失。


正面效应：老旧碳（Lig）促进形成高C/Fe比的有机络合铁，OC保存效应远超其引发的短期矿化，实现OC净积累。


应用价值：添加富含芳香族和烷基的老旧碳可增强Fe-OC结合，抑制铁诱导的OC矿化，助力湿地碳汇恢复。


Unisense电极测量pH数据的研究意义


使用丹麦Unisense微电极在厌氧条件下实时监测土壤pH，其意义在于：

调控微生物活性：pH强烈影响铁还原菌（如地杆菌属）的代谢活性（最适pH 6.7–7.0）。本研究中Hem和Lig添加后pH降低（FW初始pH 6.54），抑制了铁呼吸菌活性（图6），解释了Fe(II)产量下降现象（图3A）。


驱动化学反应：低pH促进铁氧化物溶解，可能释放结合态OC，间接增强微生物矿化作用。实验中观察到pH下降与CO₂排放峰值同步（图3B），佐证了化学-生物耦合过程。


揭示环境反馈：微生物铁还原消耗H⁺，后期pH回升（如FW中Hem处理），形成动态平衡，突显了pH作为关键中介变量在铁-碳循环中的枢纽作用。