水稻土氧化-还原过程耦合五氯酚降解的微生物学机理研究

围绕土-水、根-土界面的有机污染物消解的地下生态过程是目前有机污染物生物地球化学循环过程研究的前沿领域之一，而具有典型氧化-还原界面过程的稻田生态系统及水稻根际生态过程更是关注的热点。本项目拟 以五氯酚（PCP）为例，重点研究稻田生态系统中氧化还原过程与有机污染降解耦合的微生物学机理，即通过综合运用分子生态学和稳定性同位素标记等技术系统深入地研究稻田系统中的根-土及土-水界面的好氧-厌氧（氧化-还原）梯度及其时空动态变化对PCP消减的调控机理与污染物控制原理，解析不同电子传递体系耦合的PCP的消减过程，揭示稻田生态系统PCP降解的微生物学作用机理。项目的完成可望为进一步研究有机物污染土壤的根际修复提供理论及技术支撑，并在更深层面上揭示稻田生态系统在土壤自净过程中的重要作用。

以五氯酚（PCP）为例，重点围绕稻田中氧化-还原时空梯度变化作用影响下的土-水和根-土界面过程，开展了水稻土氧化-还原过程耦合PCP消减的作用机制研究。获得以下主要结论：.基于原位微电极监测手段探明了水稻生长所处环境中的光照强度对稻田土-水和根-土界面中pH、Eh、O2等参数有显著影响；由于氧化-还原梯度效应的影响，稻田土-水界面分化形成了近表层和深层两个PCP消减行为存在差异的剖面，在表层土壤中，PCP消减随深度增加而降低，而深层剖面中，消减速率不随空间变化；在稻田根-土界面PCP的消减行为也存在距离根系表面不同远近的微空间变异。同时，通过不同电子供体和不同电子受体添加后影响土壤中PCP界面消减行为的培养试验研究，发现高浓度电子受体SO42-抑制了Fe(III)的还原和PCP的消减，电子受体Fe(III)的还原同样也通过竞争电子供体的方式抑制了PCP的消减；而低分子量有机碳可作为电子供体和碳源来刺激土著脱氯菌和Fe(III)还原菌活性和数量的增加，提高活性Fe(II)物种的生成数量，增强稻田中PCP的生物脱氯效率。低分子量有机碳也可作为有机配体促进土壤中铁氧化物的化学还原溶解，提高活性Fe(II)物种的产生，增强稻田中PCP的化学脱氯效率。Fe(II)和Fe(III)与有机配体络合作用均使得Fe(II)/Fe(III)电子对失电子能力增强，有利于稻田中PCP的还原转化。在此基础上，结合对PCP消减过程中稻田土-水界面和根-土界面微生物群落结构和关键功能菌的响应研究，发现稻田中与Fe和S还原相关的关键功能菌可作为电子穿梭体通过呼吸作用耦合稻田土壤中天然的氧化还原反应而影响和调控PCP在稻田土壤中的消减行为。.通过本项目的研究，已发表基金标注的SCI论文10篇，国际学术会议论文9篇，出版英文著作2部；培养了研究生7名，其中已毕业博士3名，硕士1名。同时，在本基金项目的资助下，举办了参会人数在300人以上的规模化国际会议1次，课题组成员14人次参加了国际学术会议，11人次参加了国内学术会议。项目主持人徐建明教授于入选了全国农业科研杰出人才及其创新团队，并获得主持相关后续基金资助项目-国家基金重大项目子课题1项。本项目原计划发表论文6篇以上，其中SCI论文不少于4篇，培养硕、博士研究生4名。从研究内容、预期目标、发表论文等方面来看，既保质保量，又超额完成了预定任务。