研究简介:本研究以稻田土水界面普遍存在的光养生物膜（PBs）为对象，探讨了其原位生长对稻田土壤碳命运的影响机制。稻田是全球重要的CH₄和CO₂排放源，每年排放31–112 Tg CH₄，占全球年排放的9%–19%，而淹水条件在抑制有机碳矿化的同时形成厌氧环境促进产甲烷过程，土水界面广泛分布的光养生物膜作为微生物聚集体被认为可能显著影响碳循环，但其原位生长对CH₄/CO₂排放及溶解性有机质（DOM）转化的具体作用尚不清晰。研究人员采集广东东莞长期耕作稻田0–20 cm土壤，构建光照（16 h光/8 h暗）与全黑暗微宇宙各27套，30℃培养30天，同步监测CH₄和CO₂通量、叶绿素、O₂与pH微分布、DOM分子组成、碳循环功能基因及微生物群落（16S rRNA高通量测序），并结合共现网络分析PBs–微生物–DOM的关联。


研究结果显示，光照微宇宙中PBs以蓝细菌、变形菌、绿弯菌等为主，9天后进入稳定期；PBs生长使白天CH₄累积排放较黑暗微宇宙降低约79%（227 vs 1099 mmol m⁻²），CO₂降低约33%，全球增温潜势（GWP，CO₂当量）下降约72%。DOM降解率在光照微宇宙表层（0–10 mm）由黑暗下的>30.4%降至<16%，30天表层分解化合物数仅365种（黑暗为1074种）；PBs稳定后表层以CHO（糖类）新生产为主，深层（20–30 mm）则促进CHOS（有机硫）消耗与CHON（含氮化合物）产生，表明PBs将表层与深层DOM降解–生产长距离联动。


微电极测定系统结果表明，30天后光照微宇宙O₂渗透深度由初始~2 mm扩展至11.76 mm，界面O₂浓度由~30升至~350 μmol L⁻¹，pH由7.18升至7.36（黑暗仅至7.29），PBs光合释氧是关键驱动。微生物与功能基因分析显示，光照下0–20 mm产甲烷古菌丰度显著下降，甲烷氧化菌及rbcL（CO₂固定）、pmoA（甲烷氧化）基因丰度升高，mcrA（产甲烷）降低。共现网络进一步证实PBs通过"抑产甲烷–促甲烷氧化–缓DOM降解"重塑碳循环功能群。综上，PBs原位生长通过延伸氧效应与改变微生物结构，显著降低稻田CH₄/CO₂排放并缓解DOM分解，为理解稻田碳循环提供了新视角。


Unisense微电极系统的应用


本研究采用Unisense商用微传感器系统原位监测稻田土水界面的微尺度O₂与pH分布。氧组分检测使用OX-N-002884型氧微电极，搭配高灵敏度fx-3 UniAmp皮安放大器，pH检测使用pH-N-105152型微电极，搭配单通道pH/mV放大器，整套系统由电动微操控器搭载，通过SensorTrace Pro(v3.2.7)软件控制剖面扫描。研究分别在培养初始、30天培养结束后，对光照（PBs生长组）、全黑暗（无PBs对照组）处理的土壤垂直剖面O₂、pH分布进行原位测定。测试结果显示初始状态下两组样品中O₂均仅能渗透至土水界面下1.73–2.25 mm，界面O₂浓度约30 μmol L⁻¹，pH接近7.18。30天培养后，光照组因PBs光合释氧，O₂渗透深度扩展至3.63–11.76 mm，界面O₂浓度升至约350 μmol L⁻¹，土壤水界面pH升至7.36，而暗组无PBs生长，O₂渗透深度仅2.91–3.85 mm、浓度维持~30 μmol L⁻¹，pH仅小幅升至7.29。该设备凭借微米级的空间分辨率，解决了淹水土壤微界面氧化还原梯度、pH的高精度原位捕获难题，直接证实了PBs原位生长可显著提升稻田表层土壤氧浓度与氧渗透深度、轻微碱化土水界面的核心理化效应，为后续阐释“氧效应提升抑制产甲烷古菌生长、促进好氧甲烷氧化菌增殖、进而降低CH₄与CO₂排放、缓解DOM降解”的碳命运调控机制提供了关键的微环境层面的实证支撑。


实验结论


研究证实，稻田土水界面光养生物膜（PBs）的原位生长可显著改变土壤碳命运：PBs在光照下经9天培养进入稳定期，其光合释氧使土水界面氧气浓度由初始约30 μmol L⁻¹升至350 μmol L⁻¹，氧渗透深度由2 mm左右延伸至11.76 mm，同时轻微提升界面pH，通过氧效应显著抑制产甲烷古菌活性，促进好氧甲烷氧化菌增殖，最终使白天CH₄累积排放降低约79%、CO₂排放降低约33%，全球增温潜势（GWP）下降72%；同时PBs可显著减缓DOM降解，表层（0–10 mm）DOM降解率由黑暗下的>30.4%降至<16%，30天仅365种DOM化合物被分解（黑暗组为1074种），且PBs稳定后表层以CHO（糖类）新生产为主，深层（20–30 mm）则促进CHOS（有机硫）消耗与CHON（含氮化合物）产生，实现表层与深层DOM代谢的长距离联动；功能基因与共发生网络分析进一步揭示，PBs通过上调rbcL（CO₂固定）、pmoA（甲烷氧化）基因丰度、下调mcrA（产甲烷）基因表达，重塑碳循环功能菌群结构，最终通过“光合增氧-抑产甲烷-促甲烷氧化-缓DOM降解”的级联效应，降低稻田温室气体排放并调节土壤碳转化过程，为深入理解稻田生态系统碳循环机制提供了新的实验依据。

图1、稻田微环境中的甲烷（CHCH₄）和二氧化碳（CO₂）通量。（A）光照与黑暗稻田微环境示意图，分别在16小时光照/8小时黑暗和24小时黑暗条件下进行培养。（B）白天的CHCH₄和CO₂通量。夜间CHCH₄和CO₂通量见图S2。（C）使用白天数据计算出的CHCH₄/CO₂质量排放比（左图）和全球变暖潜能值（右图）。

图2、光微生态系统和暗微生态系统中，已分解、残留及新生成的有机碳（DOM）组分的百分比。

图3、水稻土微环境中的pH和O₂微传感器剖面。（A）浅层微环境的pH和O₂剖面。（B）深层微环境的pH和O₂剖面

图4、参与甲烷排放的功能基因和微生物群落的标准化相对丰度。（A）rbcL相对于二氧化碳固定的标准化相对丰度。（B）mcrA相对于甲烷生成的标准化相对丰度。（C）pmoA相对于甲烷氧化的标准化相对丰度。（D）原始、光照和黑暗微cosmos中的古菌丰度。（E）原始、光照和黑暗微cosmos中产甲烷菌的丰度。（F）原始、光照和黑暗微cosmos中产甲烷氧化菌的丰度。

图5、共现网络分析。（A）古菌群落与多糖类有机物（DOM）组成之间的共现关系。小循环指DOM组成，大循环指古菌群落。（B）功能基因与DOM组成之间的共现关系。小循环指DOM组成，大循环指功能基因。


结论与展望


光合生物膜（PBs）常见于水稻土的沉积物/土壤-水界面，对碳循环具有显著影响。然而，水稻土中PBs原位生长所影响的具体碳命运仍不明确。本研究调查了PBs原位生长对甲烷和二氧化碳排放以及溶解性有机物（DOM）转化的影响。研究结果表明，PBs生长与甲烷和二氧化碳排放呈负相关，但与DOM组成呈正相关。


PBs的原位生长在白天使甲烷排放减少了约79%，二氧化碳排放减少了约33%，同时将溶解性有机物的降解速率从超过30.4%降低至<16%。微传感器测量显示，这些变化归因于氧气浓度和渗透深度的增加，以及PBs原位生长引起的pH值变化。共现分析表明，DOM之间存在较强的关联性。在PBs生长过程中，甲烷菌（如Methanosaeta、Methanomassiliicoccus和Methanosarcina）的甲烷生成显著受到抑制，而甲烷摄取菌（如Methylobacterium、Methyloversatilis和Methylomonas）的甲烷氧化则明显增强。


这些发现揭示了现场PBs对甲烷和二氧化碳排放以及有机质降解产物（DOM）转化的影响，为理解水稻土中碳循环提供了新的见解。Unisense微传感器系统原位监测稻田土水界面的微尺度O₂与pH分布。该设备凭借微米级的空间分辨率，解决了淹水土壤微界面氧化还原梯度、pH的高精度原位捕获难题，直接证实了PBs原位生长可显著提升稻田表层土壤氧浓度与氧渗透深度、轻微碱化土水界面的核心理化效应，为后续阐释“氧效应提升抑制产甲烷古菌生长、促进好氧甲烷氧化菌增殖、进而降低CH₄与CO₂排放、缓解DOM降解”的碳命运调控机制提供了关键的微环境层面的实证支撑。