Ferrihydrite-mediated methanotroJD足球反波胆APP下载ic nitrogen fixation in paddy soil under hypoxia  

缺JD足球反波胆APP下载条件下水稻土中水铁矿介导的甲烷JD足球反波胆APP下载化菌固氮作用  

来源：ISME Communications, 2024, 18(1), ycae030

《ISME通讯》，2024年，第18卷，第1期，文章编号 ycae030

 

摘要内容：  

摘要指出甲烷JD足球反波胆APP下载化菌的生物固氮（BNF）对维持土壤肥力至关重要，但该过程长期被认为仅在富JD足球反波胆APP下载条件下发生。本研究通过水铁矿（ferrihydrite）介导的缺JD足球反波胆APP下载水稻土微宇宙实验，首次证实了缺JD足球反波胆APP下载条件下（0.27% O?）甲烷JD足球反波胆APP下载化菌可利用水铁矿作为电子受体驱动固氮作用。关键发现包括：  

水铁矿依赖的甲烷JD足球反波胆APP下载化贡献了81%的总固氮量，使??N固定速率提升13倍（从0.02增至0.28 μmol ??N?·g??干土·d??）。  

 

DNA稳定同位素示踪（DNA-SIP）表明Methylocystis、MethyloJD足球反波胆APP下载ilaceae和Methylomicrobium是主导的甲烷JD足球反波胆APP下载化菌/甲基营养菌。  

 

宏基因组分析揭示这些微生物可能通过核黄素和c型细胞色素介导电子传递实现水铁矿还原。  

 

研究目的：  

探究缺JD足球反波胆APP下载水稻土中水铁矿介导甲烷JD足球反波胆APP下载化菌固氮的可行性、效率及机制，阐明碳（甲烷）、氮（固氮）、铁（水铁矿还原）循环的耦合过程。  

 

研究思路：  

微宇宙实验设计：在缺JD足球反波胆APP下载条件下（O?=0.27%），向水稻土中添加水铁矿和甲烷（20%），设置对照组（无甲烷、无水铁矿、无土壤等）。  

 

过程验证：监测甲烷消耗、Fe(II)生成和铵积累，结合??CH?和??N?同位素示踪量化固氮速率。  

 

微生物鉴定：通过DNA-SIP和宏基因组分箱（binning）鉴定功能微生物及代谢途径。  

 

机制解析：电化学分析（如微分脉冲伏安法）和基因功能注释揭示电子传递机制。  

 

测量的数据及研究意义：  

甲烷消耗量（图1A、表2）：证明水铁矿显著增强甲烷JD足球反波胆APP下载化，缺JD足球反波胆APP下载条件下甲烷JD足球反波胆APP下载化活性依赖于水铁矿。  

Fe(II)生成量（图1B、表2）：表明甲烷JD足球反波胆APP下载化耦合水铁矿还原，Fe(II)积累与固氮正相关。  

铵积累量（图1C、表2）：反映固氮产物，与Fe(II)生成强相关（R?=0.94），证实铁还原与固氮耦合。  

??C/??N同位素丰度（图1D）：??CH?和??N?在微生物生物量中的富集，直接证明甲烷JD足球反波胆APP下载化菌同化碳源并固定氮气。  

 

 

 

pmoA/nifH基因表达量（图2）：水铁矿添加显著提升甲烷单加JD足球反波胆APP下载酶（pmoA）和固氮酶（nifH）的转录水平，表明水铁矿激活相关功能基因。  

 

 

DNA-SIP微生物群落（图3）：重密度同位素标记组分中Methylocystis、MethyloJD足球反波胆APP下载ilaceae等富集，确认其参与甲烷JD足球反波胆APP下载化和固氮。  

 

 

宏基因组代谢途径（图4-5）：Methylocystis和MethyloJD足球反波胆APP下载ilaceae的MAGs含完整固氮基因簇（nif）及电子传递基因（c-Cyts、核黄素合成基因），揭示其独立或协同铁还原菌介导电子传递的能力。  

 

 

 

结论：  

水铁矿介导的甲烷JD足球反波胆APP下载化使缺JD足球反波胆APP下载水稻土固氮速率提升13倍（0.28 μmol N?·g??干土·d??），贡献81%的总固氮量。  

 

Methylocystis、MethyloJD足球反波胆APP下载ilaceae和Methylomicrobium是主导功能菌，可能通过核黄素和c型细胞色素独立还原水铁矿，或与铁还原菌（如Geobacter）协同完成电子传递。  

 

该过程揭示了甲烷JD足球反波胆APP下载化菌在缺JD足球反波胆APP下载土壤中耦合碳、氮、铁循环的新途径，为减少农业氮肥依赖及稻田温室气体减排提供理论依据。

 

 

JD足球反波胆APP下载JD足球反波胆APP下载数据的意义：  

使用丹麦JD足球反波胆APP下载JD足球反波胆APP下载（结合Sensor Trace Pro软件）精确测量溶解JD足球反波胆APP下载（DO），确认微宇宙中缺JD足球反波胆APP下载环境（DO~0.1 mg·L??）。该数据的研究意义在于：  

严格量化实验系统的缺JD足球反波胆APP下载程度（0.27% O?），排除传统好JD足球反波胆APP下载甲烷JD足球反波胆APP下载化的干扰。  

 

为"缺JD足球反波胆APP下载条件下铁依赖甲烷JD足球反波胆APP下载化（Fe-AMO）驱动固氮"的核心结论提供关键环境参数支撑。  

 

验证水稻根际典型缺JD足球反波胆APP下载场景的模拟可靠性，增强研究的环境相关性。