Fate of carbon influenced by the in-situ growth of phototrophic biofilms at the soil-water interface of paddy soil  

光養生物膜在稻田土壤-水界面的原位生長對碳歸宿的影響  

來源： Science of the Total Environment, Volume 908, 2024, Article 168451  

《環境科學與技術》期刊，2024年 第908卷，文章編號168451  

 

摘要內容

 

研究探討了稻田土壤中原位生長的光養生物膜（PBs）對碳歸宿的影響。關鍵發現包括：  

溫室氣體減排：PBs的生長使白天CH?排放降低79%（圖1B），CO?排放降低33%（圖1C），全球增溫潛勢（GWP）降低72%（圖1D）。  

 

 

溶解性有機質（DOM）轉化：PBs減緩DOM分解速率（從>30.4%降至<16%），促進CHO類化合物生成（圖2），抑制深層有機硫化合物分解。  

 

 

作用機制：  

 

通過Unisense微電極證實PBs提升土壤O?濃度（從30增至350 μmol/L）和滲透深度（從2.25 mm增至11.76 mm）（圖3A）。  

 

 

改變微生物群落：抑制產甲烷菌（如Methanosaeta豐度降低至0.1%），促進甲烷氧化菌（如Methylobacterium豐度提升）（圖4B, F）。  

 

上調rbcL（CO?固定基因）和pmoA（甲烷氧化基因），下調mcrA（產甲烷基因）（圖4D-F）。  

 

研究目的

量化PBs原位生長對稻田CH?和CO?排放的影響。  

 

闡明PBs調控DOM轉化的微生物與化學機制。  

 

揭示PBs通過氧擴散改變土壤微環境的關鍵過程。  

 

研究思路

實驗設計：  

 

構建光照（16h光/8h暗）與黑暗（24h暗）微宇宙體系（圖1A）。  

 

監測30天內CH?/CO?通量、DOM組成、微生物群落及功能基因動態。  

多尺度監測：  

 

氣體通量：GC測定CH?/CO?排放（圖1B-C）。  

 

DOM轉化：UPLC-Q-Exactive質譜分析分子組成（圖2）。  

 

微環境：Unisense微電極測量O?/pH剖面（圖3）。  

 

微生物群落：16S rRNA測序及功能基因芯片分析（圖4）。  

 

測量數據及研究意義

氣體排放數據（圖1B-C）：  

 

數據：光照組累計CH?排放227 mmol·m?2（較黑暗組低79%），CO?排放1842 mmol·m?2（低33%）。  

 

意義：證實PBs通過光合作用固定碳并抑制溫室氣體釋放，為稻田減排提供生物策略。  

DOM組成數據（圖2）：  

 

數據：光照組DOM分解率<16%（黑暗組>30.4%），表層（0-10 mm）CHO化合物增加34%。  

 

意義：揭示PBs通過分泌代謝產物改變DOM化學多樣性，延緩碳礦化，增強土壤碳固存。  

微生物與基因數據（圖4）：  

 

數據：甲烷氧化菌（如Methylobacterium）豐度提升，產甲烷菌（如Methanosaeta）豐度降至0.1%；pmoA基因上調，mcrA基因下調。  

 

意義：闡明PBs通過調控功能微生物群落平衡碳循環，抑制產甲烷途徑并強化甲烷氧化。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

數據來源：圖3展示O?和pH微剖面（空間分辨率0.1 mm）。  

 

研究意義：  

高分辨率氧動態：直接量化PBs導致的O?濃度梯度（表層350 μmol/L vs 黑暗組30 μmol/L），證實光合作用驅動氧化微區擴展（滲透深度達11.76 mm）。  

 

機制關聯：O?擴散深度與甲烷氧化菌豐度正相關（圖4F），為"氧化抑制產甲烷"提供實證。  

 

技術優勢：亞毫米級分辨率捕捉土壤-水界面氧化還原躍變，克服傳統方法無法解析微區過程的局限。  

 

結論

PBs的碳調控作用：  

 

通過釋放O?提升土壤氧化性，抑制產甲烷菌并激活甲烷氧化菌，顯著降低CH?排放。  

 

減緩DOM分解，促進穩定碳組分（如CHO）積累，增強土壤碳固存潛力。  

應用價值：PBs可作為低成本生物工具，通過調控光照管理實現稻田溫室氣體減排（CH?降低79%）與碳固持協同增效。  

 

局限性：PBs效應受光照周期調控，夜間減排效果較弱，需結合田間管理優化。