水稻土中微生物發(fā)酵過程對(duì)氧化鐵還原的貢獻(xiàn).pdf

1、水稻土中氧化鐵還原過程與稻田中碳、氮、硫、磷等元素的地球化學(xué)循環(huán)密切相關(guān)，F(xiàn)e(Ⅲ)還原過程同時(shí)偶聯(lián)有機(jī)污染物的降解及變價(jià)重金屬的氧化還原過程，對(duì)稻田產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生顯著的抑制作用，因此研究淹水稻田中Fe(Ⅲ)還原過程及其機(jī)理具有重要的地球化學(xué)和環(huán)境學(xué)意義。早先對(duì)Fe(Ⅲ)還原過程的認(rèn)知主要集中在沉積物環(huán)境中，大量的研究證實(shí)氧化鐵的異化還原過程是沉積物等厭氧環(huán)境中Fe(Ⅲ)還原的主要方式，而兼性共代謝還原過程往往與有機(jī)質(zhì)的厭氧分解相偶聯(lián)，

2、被認(rèn)為是Fe(Ⅲ)還原的次要途徑。然而與沉積物長(zhǎng)期處于厭氧環(huán)境不同，稻田水旱輪作的耕作方式所形成的氧化還原環(huán)境交替，使得微生物代謝有機(jī)質(zhì)產(chǎn)氫過程成為電子傳遞鏈中的重要環(huán)節(jié)。因此有關(guān)淹水稻田中微生物發(fā)酵有機(jī)質(zhì)進(jìn)行兼性共代謝還原氧化鐵的機(jī)理還有待進(jìn)一步深入。
　　本研究采用厭氧恒溫培養(yǎng)方法，采集我國(guó)不同植稻區(qū)的典型水稻土，比較不同水稻土理化性質(zhì)和Fe(Ⅲ)還原特征的差異，揭示影響淹水稻田中Fe(Ⅲ)還原過程的主要因素;通過外源添加不同

3、的小分子有機(jī)碳源和調(diào)節(jié)土壤pH條件，研究有機(jī)質(zhì)厭氧發(fā)酵過程中微生物群落結(jié)構(gòu)、脫氫產(chǎn)氫過程和Fe(Ⅲ)還原過程之間的相互關(guān)系，揭示微生物發(fā)酵過程中產(chǎn)生小分子有機(jī)碳、產(chǎn)氫、產(chǎn)酸對(duì)Fe(Ⅲ)還原過程的作用;通過熒光激發(fā)-發(fā)射光譜掃描研究不同水稻土中水溶性有機(jī)碳的熒光特性及主要組分，揭示水溶性有機(jī)質(zhì)與Fe(Ⅲ)還原過程的關(guān)系;以生物炭為載體，利用其具有高含量的芳香結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的吸附能力這一特點(diǎn)，采用低分子量有機(jī)碳修飾生物炭，研究其在促進(jìn)水稻土Fe

4、(Ⅲ)還原過程方面的潛能，從而將水溶性有機(jī)碳的電子傳遞功能和微生物發(fā)酵有機(jī)物對(duì)Fe(Ⅲ)還原的貢獻(xiàn)這一理論應(yīng)用于實(shí)踐。主要的研究結(jié)果如下:
　　(1)水稻土淹水后，F(xiàn)e(Ⅱ)隨淹水時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸累積，不同水稻土間Fe(Ⅲ)還原特征存在顯著差異。在土壤理化性質(zhì)中，有機(jī)質(zhì)含量和無定形氧化鐵含量是決定Fe(Ⅲ)還原特征的最主要因素，二者均與Fe(Ⅲ)還原潛勢(shì)α和最大Fe(Ⅲ)還原速率Vmax間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，而pH是影響達(dá)到最大F

5、e(Ⅲ)還原速率所需時(shí)間的主要因素。
　　(2)水稻土中Fe(Ⅲ)還原過程對(duì)不同種類碳源調(diào)控的響應(yīng)因土壤不同而存在明顯差異。微生物利用葡萄糖引起的土壤pH降低抑制了酸性水稻土中的Fe(Ⅲ)還原過程。水稻土中微生物利用不同種類碳源為底物的發(fā)酵脫氫產(chǎn)氫過程主要出現(xiàn)在培養(yǎng)初期，產(chǎn)氫能力從強(qiáng)到弱依次為葡萄糖＞丙酮酸鹽＞乳酸鹽，且脫氫酶活性最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)間與微生物鐵Fe(Ⅲ)原反應(yīng)達(dá)到最大反應(yīng)速率的時(shí)間（Tvmax）具有一致性。培養(yǎng)體系中p

6、H的降低表明H+的產(chǎn)生是微生物發(fā)酵有機(jī)碳源的主要產(chǎn)物，以Fe(OH)3為電子受體的還原過程顯著消耗了微生物利用不同種類碳源發(fā)酵產(chǎn)生的的H2。培養(yǎng)體系pH與H2分壓和Fe(Ⅱ)累積量存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明微生物利用有機(jī)碳源發(fā)酵產(chǎn)生有機(jī)酸、進(jìn)而影響脫氫產(chǎn)氫特性并作用于微生物Fe(Ⅲ)還原過程。
　　(3)隨著可利用營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和鐵受體的消耗，淹水水稻土中的微生物群落和潛在Fe(Ⅲ)還原菌呈現(xiàn)出了顯著的演替。其中Firmicutes是最

7、為優(yōu)勢(shì)的類群，隨著淹水時(shí)間延長(zhǎng)相對(duì)豐度逐漸降低;Acidobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi、Proteobacteria和Ignavibacteriae是第二大類優(yōu)勢(shì)群，相對(duì)豐度均隨淹水時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸升高。外源添加不同濃度葡萄糖為微生物提供了充足的碳源，使微生物群落演替滯后，從而使Firmicutes大量富集，尤其是具有發(fā)酵產(chǎn)氫功能的Clostridium和Bacillus，且該滯后效應(yīng)因碳源濃度的增

8、加而增強(qiáng)。不同濃度葡萄糖富集下水稻土中形成以Bacillus和Clostridium為主、Desulfitobacterium、Solibacillus、Anaeromyxobacter和Paenibacillus等為輔的潛在Fe(Ⅲ)還原菌群。結(jié)合添加不同濃度葡萄糖時(shí)微生物脫氫產(chǎn)氫特性和Fe(Ⅲ)還原特征，驗(yàn)證了不同濃度葡萄糖調(diào)控下潛在Fe(Ⅲ)還原菌群落結(jié)構(gòu)變化與脫氫產(chǎn)氫過程對(duì)Bacillus和Clostridium群落結(jié)構(gòu)變化的響

9、應(yīng)共同作用而影響Fe(Ⅲ)還原過程。
　　(4)調(diào)控水稻土初始pH使脫氫產(chǎn)氫過程中微生物活性、相應(yīng)酶活性及Fe(Ⅲ)溶解性發(fā)生改變而進(jìn)一步作用于Fe(Ⅲ)還原過程。當(dāng)調(diào)節(jié)酸性和堿性性水稻土初始pH至強(qiáng)酸性或酸性時(shí)，淹水培養(yǎng)過程中脫氫酶活性受到顯著抑制，在堿性水稻土中產(chǎn)氫過程受到抑制而酸性水稻土中得以促進(jìn)。雖然在此情況下酸溶性Fe(Ⅲ)的濃度較未調(diào)節(jié)處理顯著提高，但Fe(Ⅲ)還原過程仍然受初始pH降低的抑制，因此在低pH條件下鐵氧化

10、物的溶解性并非是影響Fe(Ⅲ)還原過程的主要因素。調(diào)節(jié)水稻土初始pH至中性、堿性及強(qiáng)堿性時(shí)，微生物的脫氫反應(yīng)及Fe(Ⅲ)溶解性不受pH調(diào)節(jié)影響，其中堿性水稻土調(diào)節(jié)至中性和酸性水稻土調(diào)節(jié)至中性、堿性及強(qiáng)堿性時(shí)氫氣分壓顯著降低，使Fe(Ⅲ)還原提前達(dá)到最大反應(yīng)速率，體現(xiàn)出Fe(Ⅲ)還原過程對(duì)氫氣的利用和消耗。在不同初始pH水稻土Fe(Ⅲ)還原的快速時(shí)期，可以表征代謝有機(jī)質(zhì)微生物的活性的脫氫酶與Fe(Ⅱ)累積密切相關(guān)。
　　(5)水稻土

11、中微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)酵的脫氫產(chǎn)氫過程和潛在Fe(Ⅲ)還原菌群落結(jié)構(gòu)對(duì)初始pH調(diào)節(jié)的響應(yīng)直接或間接地影響著水稻土中的Fe(Ⅲ)還原過程。當(dāng)調(diào)節(jié)酸性水稻土至堿性后細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)受pH調(diào)節(jié)影響較小，淹水初期Firmicutes受初始pH調(diào)節(jié)相對(duì)豐度有所提高。堿性水稻土中Proteobacteria占細(xì)菌的比例隨初始pH調(diào)節(jié)至酸性而升高，細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)因pH調(diào)節(jié)而存在較大差異。酸性水稻土中潛在Fe(Ⅲ)還原菌相對(duì)豐度較未調(diào)節(jié)處理有所提高，對(duì)應(yīng)于提

12、高的Fe(Ⅲ)還原對(duì)H2的消耗和提前達(dá)到的最大Fe(Ⅲ)還原速率;堿性水稻土中潛在Fe(Ⅲ)還原菌在淹水初期受pH調(diào)節(jié)抑制后，于淹水5 d-20 d相對(duì)豐度升高，對(duì)應(yīng)于淹水初期受抑制的Fe(Ⅲ)還原過程和淹水中后期顯著的Fe(Ⅱ)累積。
　　(6)通過對(duì)不同水稻土水溶性有機(jī)碳三維熒光光譜掃描鑒定發(fā)現(xiàn)4個(gè)共有的類腐殖酸熒光組分，其來源以外源輸入為主，內(nèi)源輸入為輔。水溶性有機(jī)碳的腐殖化系數(shù)與Fe(Ⅲ)還原特征參數(shù)存在顯著的相關(guān)關(guān)系。其

13、中以陸源的大分子量UVC類腐殖酸對(duì)Fe(Ⅲ)還原特征的貢獻(xiàn)最高，陸源的UVC+UVA類腐殖酸和海源的UVA海洋腐殖酸與Fe(Ⅲ)還原特征參數(shù)的相關(guān)關(guān)系也達(dá)到顯著或極顯著水平，而水溶性有機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)最小。推測(cè)水稻土中水溶性有機(jī)碳的腐殖化程度及其中各類腐殖酸組分的含量與水稻土Fe(Ⅲ)還原能力正相關(guān)。
　　(7)生物炭添加可以促進(jìn)水稻土中微生物Fe(Ⅲ)還原能力，且促進(jìn)作用隨著生物炭粒度減小而逐漸增強(qiáng)。究其原因，一方面生物炭的水溶性

14、有機(jī)碳作為電子穿梭體加速了Fe(Ⅲ)還原過程;另一方面生物炭的添加促進(jìn)了游離氧化鐵和硝態(tài)氮含量對(duì)Fe(Ⅲ)還原過程的貢獻(xiàn)。采用葡萄糖修飾生物炭不僅可以促進(jìn)水稻土中氧化鐵的還原過程，也可以緩減生物炭的“堿性基團(tuán)”引起的pH升高，且生物炭粒度越小作用越顯著。
　　通過本文的研究，對(duì)水稻土中微生物Fe(Ⅲ)還原過程相關(guān)的環(huán)境條件和Fe(Ⅲ)還原微生物的群落結(jié)構(gòu)與功能有了更深入的認(rèn)識(shí)，探討了水稻土淹水過程中微生物發(fā)酵有機(jī)質(zhì)對(duì)Fe(Ⅲ)還原