水稻土铁氧化物还原与氮素硝化过程耦合的微生物学机制研究

The iron-nitrogen cyclic coupling is mainly carried out by ferric reduction bacteria (FeRB) and nitrification microorganisms. Iron oxide potentially affects the soil nitrogen transformation. However, little is known about the related microbial mechanisms. In this proposal, the abundance, diversity and community composition of a multiple of soil nitrification microorganisms and FeRB will be evaluated. The effect of iron oxide on soil nitrification activity and nitrification and iron-reduction community features will be determined using high-throughput sequencing, GeoChip, and qPCR techniques, etc.; further the possible microbial succession mechanisms will be figured out; and the key microbial species involved will be analyzed by DNA-sip. The aim of this study is to provide insights into the Fe-N cyclic coupling microbial mechanisms in paddy soil, and thus provide theoretical basis for the intentional modulation of nitrogen transformation by addition of iron oxides. Meanwhile, the knowledge will facilitate the efficient use of nutrient and control of greenhouse gases.

铁还原细菌和硝化微生物协同作用驱动了水稻土中铁氧化物还原与氮素硝化的耦合过程，但是相关的微生物学机制尚不清楚。本项目拟选用我国不同性质的典型水稻土壤，首先开展原位调查研究硝化功能相关微生物和铁还原菌的特征；进一步通过实验室微域培养实验，揭示氧化铁对水稻土微生物硝化强度的影响以及细菌、铁还原菌和氨氧化微生物等群落结构的变化规律；利用土壤宏基因组测序技术和人工神经网络等多种分析方法，揭示铁还原细菌和氨氧化微生物的交互性演替规律；利用DNA稳定性同位素示踪技术揭示水稻土铁-氮耦合的关键物种。本研究对于深入认知稻田生态系统微生物驱动的养分循环机制有着重要的理论价值，同时也为以后稻田硝化调控措施以及对于稻田养分的高效利用和温室气体的排放控制具有实际意义。

本项目选用我国不同性质的典型水稻土壤，首先开展了原位调查，利用实时定量PCR、高通量测序和分子生态分析方法，揭示不同pH水稻土壤微生物等群落结构的特征，分析了群落结构特征与土壤理化性质的相关性；进一步通过实验室微域培养实验，揭示了氧化铁对水稻土碳氮转化，包括CH4、N2O气体排放及其相关微生物对于纳米氧化铁材料的响应特征，探讨了相关微生物群落结构的变化规律；研究还发现纳米 Fe3O4 不仅增强了微生物的互养，而且提高了微生物之间协同作用的有效性。本研究对于深入认知稻田生态系统微生物驱动的养分循环机制有着重要的理论价值，同时也为以后稻田碳氮元素转化调控措施以及对于稻田养分的高效利用和温室气体的排放控制具有实际意义。