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

舊碳和氧化鐵添加逆轉(zhuǎn)濕地土壤有機(jī)碳平衡

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

《微生物學(xué)前沿》第14卷，2024年1月8日，文章編號1327265

摘要內(nèi)容

摘要指出：鐵氧化物（Fe）可通過吸附和共沉淀穩(wěn)定有機(jī)碳（OC），但微生物鐵還原會破壞鐵結(jié)合有機(jī)碳（Fe-OC）并促進(jìn)OC礦化。本研究通過向淡水和鹽堿濕地土壤中添加結(jié)晶鐵氧化物（赤鐵礦，Hem）和老舊碳（褐煤，Lig），探究兩者對OC平衡的影響。結(jié)果顯示：

Lig促進(jìn)Fe-OC形成，導(dǎo)致OC凈積累（淡水濕地：5.9±3.6 mg g?1；鹽堿濕地：8.3±3.2 mg g?1）。

Hem抑制微生物Fe(III)還原（降低鐵呼吸菌豐度），但通過改變微生物群落結(jié)構(gòu)（如富集放線菌和厚壁菌門）顯著增加OC礦化，尤其在淡水濕地造成OC凈損失。

Hem和Lig共同添加時，Lig的OC保存效應(yīng)強(qiáng)于Hem的礦化效應(yīng)，仍實現(xiàn)OC積累。

研究目的

量化鐵氧化物介導(dǎo)的OC保存與礦化的凈效應(yīng)，明確結(jié)晶鐵氧化物（Hem）和老舊碳（Lig）對濕地土壤碳匯恢復(fù)的潛在影響。

研究思路

土壤選擇：選取有機(jī)碳和鐵含量差異顯著的淡水濕地（FW，富C/Fe）和鹽堿濕地（SW，貧C/Fe）土壤。

處理設(shè)計：設(shè)置對照（CK）、單獨(dú)添加Hem、單獨(dú)添加Lig、Hem+Lig混合添加四組處理，在厭氧條件下培養(yǎng)63天。

動態(tài)監(jiān)測：定期測定Fe(II)產(chǎn)量、CO?/CH?排放速率、pH（使用丹麥Unisense微電極）。

終點(diǎn)分析：培養(yǎng)結(jié)束后測定鐵氧化物結(jié)合有機(jī)碳（連續(xù)提取法）、微生物群落結(jié)構(gòu)（16S rRNA和ITS測序）、SOC化學(xué)組成。

機(jī)制解析：結(jié)合隨機(jī)森林回歸和結(jié)構(gòu)方程模型，揭示微生物群落與OC動態(tài)的關(guān)聯(lián)。

測量數(shù)據(jù)及研究意義

鐵氧化物結(jié)合有機(jī)碳（圖1, 圖2）

數(shù)據(jù)：通過連續(xù)提取法（焦磷酸鈉、羥胺、連二亞硫酸鹽）分離不同鐵相（有機(jī)絡(luò)合鐵、短程有序鐵氧化物、結(jié)晶鐵氧化物）及其結(jié)合OC。

意義：量化OC保存機(jī)制，揭示Lig通過形成高C/Fe比的有機(jī)絡(luò)合鐵（OC??）顯著提升OC穩(wěn)定性（圖2D）。

Fe(II)產(chǎn)量和碳?xì)怏w排放（圖3）

數(shù)據(jù)：動態(tài)監(jiān)測厭氧培養(yǎng)期間Fe(II)積累量、CO?/CH?排放速率及累積量。

意義：反映微生物鐵還原活性和OC礦化強(qiáng)度。Hem在淡水濕地中導(dǎo)致最高CO?排放（圖3B），證實其促進(jìn)OC礦化。

OC保存、礦化及平衡（圖4）

數(shù)據(jù)：計算鐵介導(dǎo)的OC保存量、微生物礦化量及凈平衡。

意義：明確Lig的凈OC積累效應(yīng)，為濕地碳匯恢復(fù)提供依據(jù)。

微生物群落結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)：細(xì)菌/真菌群落α/β多樣性、關(guān)鍵菌門（如放線菌、厚壁菌）及鐵還原菌（如地桿菌屬）相對豐度。

意義：解釋Hem通過富集放線菌（降解多環(huán)芳烴）和厚壁菌（發(fā)酵型鐵還原菌）驅(qū)動OC礦化（圖5C, 圖6）。

pH動態(tài)

數(shù)據(jù)：培養(yǎng)第4、21、63天用Unisense電極測定土壤pH。

意義：揭示pH降低抑制鐵呼吸菌（最適pH 6.7–7.0），間接影響鐵還原路徑。

結(jié)論

負(fù)面效應(yīng)：單獨(dú)添加結(jié)晶鐵氧化物（Hem）通過改變微生物群落（富集放線菌和厚壁菌）增加OC礦化，導(dǎo)致淡水濕地OC凈損失。

正面效應(yīng)：老舊碳（Lig）促進(jìn)形成高C/Fe比的有機(jī)絡(luò)合鐵，OC保存效應(yīng)遠(yuǎn)超其引發(fā)的短期礦化，實現(xiàn)OC凈積累。

應(yīng)用價值：添加富含芳香族和烷基的老舊碳可增強(qiáng)Fe-OC結(jié)合，抑制鐵誘導(dǎo)的OC礦化，助力濕地碳匯恢復(fù)。

Unisense電極測量pH數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微電極在厭氧條件下實時監(jiān)測土壤pH，其意義在于：

調(diào)控微生物活性：pH強(qiáng)烈影響鐵還原菌（如地桿菌屬）的代謝活性（最適pH 6.7–7.0）。本研究中Hem和Lig添加后pH降低（FW初始pH 6.54），抑制了鐵呼吸菌活性（圖6），解釋了Fe(II)產(chǎn)量下降現(xiàn)象（圖3A）。

驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)：低pH促進(jìn)鐵氧化物溶解，可能釋放結(jié)合態(tài)OC，間接增強(qiáng)微生物礦化作用。實驗中觀察到pH下降與CO?排放峰值同步（圖3B），佐證了化學(xué)-生物耦合過程。

揭示環(huán)境反饋：微生物鐵還原消耗H?，后期pH回升（如FW中Hem處理），形成動態(tài)平衡，突顯了pH作為關(guān)鍵中介變量在鐵-碳循環(huán)中的樞紐作用。