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

舊碳和氧化鐵添加逆轉濕地土壤有機碳平衡

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

《微生物學前沿》第14卷，2024年1月8日，文章編號1327265

摘要內容

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

Lig促進Fe-OC形成，導致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構（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保存效應強于Hem的礦化效應，仍實現OC積累。

研究目的

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

研究思路

土壤選擇：選取有機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。

處理設計：設置對照（CK）、單獨添加Hem、單獨添加Lig、Hem+Lig混合添加四組處理，在厭氧條件下培養63天。

動態監測：定期測定Fe(II)產量、CO?/CH?排放速率、pH（使用丹麥Unisense微電極）。

終點分析：培養結束后測定鐵氧化物結合有機碳（連續提取法）、微生物群落結構（16S rRNA和ITS測序）、SOC化學組成。

機制解析：結合隨機森林回歸和結構方程模型，揭示微生物群落與OC動態的關聯。

測量數據及研究意義

鐵氧化物結合有機碳（圖1, 圖2）

數據：通過連續提取法（焦磷酸鈉、羥胺、連二亞硫酸鹽）分離不同鐵相（有機絡合鐵、短程有序鐵氧化物、結晶鐵氧化物）及其結合OC。

意義：量化OC保存機制，揭示Lig通過形成高C/Fe比的有機絡合鐵（OC??）顯著提升OC穩定性（圖2D）。

Fe(II)產量和碳氣體排放（圖3）

數據：動態監測厭氧培養期間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礦化強度。Hem在淡水濕地中導致最高CO?排放（圖3B），證實其促進OC礦化。

OC保存、礦化及平衡（圖4）

數據：計算鐵介導的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，為濕地碳匯恢復提供依據。

微生物群落結構

數據：細菌/真菌群落α/β多樣性、關鍵菌門（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（降解多環芳烴）和厚壁菌（發酵型鐵還原菌）驅動OC礦化（圖5C, 圖6）。

pH動態

數據：培養第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。

結論

負面效應：單獨添加結晶鐵氧化物（Hem）通過改變微生物群落（富集放線菌和厚壁菌）增加OC礦化，導致淡水濕地OC凈損失。

正面效應：老舊碳（Lig）促進形成高C/Fe比的有機絡合鐵，OC保存效應遠超其引發的短期礦化，實現OC凈積累。

應用價值：添加富含芳香族和烷基的老舊碳可增強Fe-OC結合，抑制鐵誘導的OC礦化，助力濕地碳匯恢復。

Unisense電極測量pH數據的研究意義

使用丹麥Unisense微電極在厭氧條件下實時監測土壤pH，其意義在于：

調控微生物活性：pH強烈影響鐵還原菌（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)產量下降現象（圖3A）。

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

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