Cable bacteria reduce methane emissions from rice-vegetated soils

電纜細菌減少水稻植被土壤的甲烷排放

來源：NATURE COMMUNICATIONS | (2020)11:1878

 

1. 論文摘要核心內容

 

論文發現電纜細菌（Cable bacteria）可顯著降低稻田土壤甲烷排放。通過一次性接種電纜細菌（Ca. Electronemasp. GS），土壤硫酸鹽（SO?2?）庫存增加5倍，導致甲烷（CH?）排放量減少93%（vs. 未接種對照組）。其機制是電纜細菌通過電氧化硫化（e-SOX）再生硫酸鹽，刺激硫酸鹽還原菌與產甲烷菌競爭底物，同時降低局部pH，實現長期減排效果。

 

2. 研究目的

 

驗證電纜細菌能否通過增強硫酸鹽循環，替代傳統硫酸鹽添加法（如石膏或硫酸銨），成為稻田甲烷減排的新策略，并探究其持續性與生態可行性。

 

3. 研究思路

 

1.實驗設計：

 

使用滅菌濕地土壤+牛糞接種微生物群落（不含電纜細菌），分兩組：

 

接種組：添加淡水電纜細菌 Ca. Electronemasp. GS

 

對照組：不接種

 

水稻盆栽培養11周（淹水條件）。

2.測量指標：

 

電纜細菌豐度與分布（FISH分析）

 

孔隙水硫酸鹽濃度（離子色譜）

 

pH深度剖面（微電極）

 

CH?排放速率（氣相色譜）

3.機制驗證：

 

分析e-SOX對硫酸鹽積累、pH調控及微生物競爭的影響。

 

4. 測量數據及意義（關聯圖表）

（1）電纜細菌分布

 

數據：接種組土壤上層（0-2 cm）密度達400±100 m cm?2（圖1a），且與水稻根緊密共生（圖1b）。

 

 

意義：證實電纜細菌可在稻田定殖，并依托根系氧氣擴散維持活性。

 

（2）硫酸鹽與pH剖面

 

數據：

 

接種組孔隙水SO?2?濃度在0-4 cm均勻分布（1900–2200 μM），比對照組高5倍（圖2a）。

 

pH在7.2 mm深度降低0.24單位（圖2b）。

 

意義：e-SOX促進硫酸鹽積累并酸化局部環境，抑制產甲烷菌活性。

 

（3）甲烷排放

 

數據：接種組CH?排放率僅為42±9 μmol m?2 day?1，比對照組（600±100）降低93%（圖3）。

 

意義：直接證明電纜細菌對甲烷減排的高效性。

 

5. Unisense微電極數據的專項解讀

 

關鍵發現：

 

使用丹麥Unisense微電極測得7.2 mm深度處pH降低0.24單位（圖2b），是e-SOX過程的直接證據。

 

研究意義：

1.空間高分辨率：微電極可捕捉毫米尺度的化學梯度（傳統采樣無法實現），揭示e-SOX在根-土界面的精準作用位點。

2.機制關聯性：pH降低可抑制發酵菌與產甲烷菌活性（文獻支持pH降低0.1單位可使CH?產量減少26%），佐證e-SOX的雙重減排機制（硫酸鹽競爭+酸化抑制）。

3.技術優勢：避免破壞土壤分層結構，為電化學生態過程提供原位驗證手段。

 

6. 研究結論

 

1.高效減排：電纜細菌使CH?排放降低93%，減排效率超越傳統硫酸鹽添加法。

2.核心機制：

 

e-SOX再生硫酸鹽，刺激硫酸鹽還原菌競爭底物（H?/乙酸）（圖4）。

 

局部酸化進一步抑制產甲烷過程。

 

3.生態優勢：

 

避免硫酸鹽添加導致的硫化氫（H?S）積累毒性。

 

一次接種可持續作用11周（傳統方法需反復施用）。

 

4.應用潛力：稻田環境（根系釋氧）天然適宜電纜細菌生長，可通過接種或水位管理（保持表土氧化）推廣該技術。

 

附：丹麥Unisense電極數據的拓展意義

 

該數據不僅驗證了e-SOX的酸化效應，更凸顯微電極技術在土壤微觀過程研究中的不可替代性——為根際化學梯度、微生物-植物互作等研究提供了高精度原位監測方案。