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

濕地土壤有機(jī)碳平衡被舊的碳和氧化鐵添加所逆轉(zhuǎn)

來(lái)源：Front. Microbiol. 14:1327265

《微生物學(xué)前沿》第14卷，文章編號(hào)1327265

摘要內(nèi)容

研究通過(guò)淡水濕地（富碳鐵）和鹽堿濕地（貧碳鐵）的厭氧培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，探究赤鐵礦（Hem）和褐煤（Lig）添加對(duì)土壤有機(jī)碳平衡的影響。結(jié)果表明：Lig通過(guò)促進(jìn)鐵結(jié)合有機(jī)碳（Fe-OC）形成導(dǎo)致凈碳積累（淡水濕地：5.9±3.6 mg g?1；鹽堿濕地：8.3±3.2 mg g?1），而Hem通過(guò)改變微生物群落結(jié)構(gòu)顯著增加有機(jī)碳礦化（尤其在淡水濕地）。結(jié)晶態(tài)鐵氧化物單獨(dú)添加會(huì)增強(qiáng)碳礦化，但老碳（富含芳香族和烷基化合物）能促進(jìn)Fe-OC形成并提高碳持久性。

研究目的

量化鐵氧化物介導(dǎo)的有機(jī)碳保存與礦化的凈效應(yīng)。

闡明結(jié)晶鐵氧化物（如赤鐵礦）和老碳（褐煤）在濕地碳循環(huán)中的作用機(jī)制。

為濕地土壤碳匯恢復(fù)提供理論依據(jù)。

研究思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：選取淡水濕地（FW）和鹽堿濕地（SW）土壤，設(shè)置四組處理（對(duì)照、Hem添加、Lig添加、Hem+Lig添加），進(jìn)行63天厭氧培養(yǎng)。

數(shù)據(jù)采集：監(jiān)測(cè)Fe(II)產(chǎn)量、CO?/CH?排放速率（圖3）、鐵氧化物結(jié)合碳含量（圖1-2）、微生物群落結(jié)構(gòu)（圖5-6）及pH變化。

機(jī)制分析：通過(guò)隨機(jī)森林回歸和結(jié)構(gòu)方程模型（圖7）解析微生物群落與碳動(dòng)態(tài)的關(guān)聯(lián)。

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

鐵氧化物與有機(jī)碳提取量（圖1、圖2）：

數(shù)據(jù)意義：量化不同鐵形態(tài)（有機(jī)絡(luò)合鐵、短程有序鐵、晶態(tài)鐵）對(duì)碳保存的貢獻(xiàn)，揭示Lig通過(guò)鈉焦磷酸鹽提取態(tài)鐵（Fe??）顯著增加碳保存（C/Fe??達(dá)11-48）。

Fe(II)產(chǎn)量與氣體排放（圖3）：

數(shù)據(jù)意義：Hem抑制淡水濕地Fe(III)還原菌活性（如Geobacter），但通過(guò)富集放線(xiàn)菌（Actinobacteria）和厚壁菌（Firmicutes）增強(qiáng)CO?排放（FW-Hem累積排放最高）。

微生物群落結(jié)構(gòu)（圖5-6）：

數(shù)據(jù)意義：Hem降低呼吸型鐵還原菌（如Geobacter）豐度，但促進(jìn)發(fā)酵型菌（Clostridium）增殖，驅(qū)動(dòng)碳礦化途徑轉(zhuǎn)變。

pH數(shù)據(jù)（文中提及）：

使用丹麥Unisense電極測(cè)量意義：精確監(jiān)測(cè)厭氧條件下pH變化（FW初始pH 6.54→處理后期變化），揭示低pH抑制Fe(III)還原菌活性，但促進(jìn)發(fā)酵途徑碳分解，為理解鐵還原與碳礦化的環(huán)境調(diào)控提供關(guān)鍵參數(shù)。

結(jié)論

碳保存與礦化平衡：Lig通過(guò)形成Fe-OC實(shí)現(xiàn)凈碳積累，Hem則因改變微生物群落導(dǎo)致碳損失（圖4）。

微生物機(jī)制：Hem抑制呼吸型鐵還原菌，但富集放線(xiàn)菌等copiotrophs（富營(yíng)養(yǎng)型微生物），激活非鐵依賴(lài)的碳礦化途徑（如發(fā)酵）。

應(yīng)用價(jià)值：添加芳香族老碳（如褐煤）可優(yōu)先形成穩(wěn)定Fe-OC，減少鐵氧化物引發(fā)的碳礦化，適用于濕地碳匯恢復(fù)。

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)意義

使用丹麥Unisense微電極測(cè)量的pH數(shù)據(jù)（文中提及在厭氧培養(yǎng)的第4、21、63天監(jiān)測(cè)），揭示了以下機(jī)制：

Fe還原菌活性調(diào)控：Geobacter等鐵呼吸菌的最適pH為6.7-7.0，初始pH降低（如Hem處理）抑制其活性，減少Fe(III)還原驅(qū)動(dòng)的碳礦化。

發(fā)酵途徑激活：低pH促進(jìn)Clostridium等發(fā)酵菌生長(zhǎng)，轉(zhuǎn)向產(chǎn)CO?的非鐵依賴(lài)代謝途徑，解釋為何Hem處理Fe(II)產(chǎn)量低但CO?排放高（圖3B）。

質(zhì)子動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)：Fe(III)還原過(guò)程消耗質(zhì)子（H?），導(dǎo)致后期pH回升，動(dòng)態(tài)pH變化影響微生物群落演替與碳分解路徑選擇。

這些數(shù)據(jù)為理解厭氧條件下pH-微生物-鐵碳耦合作用提供了直接證據(jù)，是解析碳礦化途徑轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵參數(shù)。