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

濕地土壤有機碳平衡被舊的碳和氧化鐵添加所逆轉

來源：Front. Microbiol. 14:1327265

《微生物學前沿》第14卷，文章編號1327265

摘要內容

研究通過淡水濕地（富碳鐵）和鹽堿濕地（貧碳鐵）的厭氧培養實驗，探究赤鐵礦（Hem）和褐煤（Lig）添加對土壤有機碳平衡的影響。結果表明：Lig通過促進鐵結合有機碳（Fe-OC）形成導致凈碳積累（淡水濕地：5.9±3.6 mg g?1；鹽堿濕地：8.3±3.2 mg g?1），而Hem通過改變微生物群落結構顯著增加有機碳礦化（尤其在淡水濕地）。結晶態鐵氧化物單獨添加會增強碳礦化，但老碳（富含芳香族和烷基化合物）能促進Fe-OC形成并提高碳持久性。

研究目的

量化鐵氧化物介導的有機碳保存與礦化的凈效應。

闡明結晶鐵氧化物（如赤鐵礦）和老碳（褐煤）在濕地碳循環中的作用機制。

為濕地土壤碳匯恢復提供理論依據。

研究思路

實驗設計：選取淡水濕地（FW）和鹽堿濕地（SW）土壤，設置四組處理（對照、Hem添加、Lig添加、Hem+Lig添加），進行63天厭氧培養。

數據采集：監測Fe(II)產量、CO?/CH?排放速率（圖3）、鐵氧化物結合碳含量（圖1-2）、微生物群落結構（圖5-6）及pH變化。

機制分析：通過隨機森林回歸和結構方程模型（圖7）解析微生物群落與碳動態的關聯。

測量數據及研究意義

鐵氧化物與有機碳提取量（圖1、圖2）：

數據意義：量化不同鐵形態（有機絡合鐵、短程有序鐵、晶態鐵）對碳保存的貢獻，揭示Lig通過鈉焦磷酸鹽提取態鐵（Fe??）顯著增加碳保存（C/Fe??達11-48）。

Fe(II)產量與氣體排放（圖3）：

數據意義：Hem抑制淡水濕地Fe(III)還原菌活性（如Geobacter），但通過富集放線菌（Actinobacteria）和厚壁菌（Firmicutes）增強CO?排放（FW-Hem累積排放最高）。

微生物群落結構（圖5-6）：

數據意義：Hem降低呼吸型鐵還原菌（如Geobacter）豐度，但促進發酵型菌（Clostridium）增殖，驅動碳礦化途徑轉變。

pH數據（文中提及）：

使用丹麥Unisense電極測量意義：精確監測厭氧條件下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，但促進發酵途徑碳分解，為理解鐵還原與碳礦化的環境調控提供關鍵參數。

結論

碳保存與礦化平衡：Lig通過形成Fe-OC實現凈碳積累，Hem則因改變微生物群落導致碳損失（圖4）。

微生物機制：Hem抑制呼吸型鐵還原菌，但富集放線菌等copiotrophs（富營養型微生物），激活非鐵依賴的碳礦化途徑（如發酵）。

應用價值：添加芳香族老碳（如褐煤）可優先形成穩定Fe-OC，減少鐵氧化物引發的碳礦化，適用于濕地碳匯恢復。

Unisense電極數據的詳細意義

使用丹麥Unisense微電極測量的pH數據（文中提及在厭氧培養的第4、21、63天監測），揭示了以下機制：

Fe還原菌活性調控：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)還原驅動的碳礦化。

發酵途徑激活：低pH促進Clostridium等發酵菌生長，轉向產CO?的非鐵依賴代謝途徑，解釋為何Hem處理Fe(II)產量低但CO?排放高（圖3B）。

質子動態關聯：Fe(III)還原過程消耗質子（H?），導致后期pH回升，動態pH變化影響微生物群落演替與碳分解路徑選擇。

這些數據為理解厭氧條件下pH-微生物-鐵碳耦合作用提供了直接證據，是解析碳礦化途徑轉換的關鍵參數。