铁氧化物促进短链脂肪酸互营氧化产生甲烷的机制研究

Syntrophic oxidation of short volatile fatty acids is one of the key steps for the conversion of organic substances into methane in the soil, river and ocean sediments. Results indicated that iron oxides can promote the methane production coupled to the syntrophic oxidation of short volatile fatty acids, but the mechanism was not well elucidated. In the current proposal, anaerobic biological systems with the supplementation of short volatile fatty acids and iron oxides will be constructed. It is aimed to investigate the characteristics of process, kinetics, key intermediate products and microbial community evolution, to clarify the effects of iron oxides on the microbial community and the correlation between the community construction and short volatile fatty acids conversion pathways and the methane production process, to investigate the potential correlation between the characteristic of iron oxides and the electron transfer capacity of dissolved microbial metabolite products, to elucidate the competition or syntrophic correlations between the fatty acids oxidizing bacteria, iron reduction bacteria and methanogenic archaea with the supplementation of different iron oxides. The implementation of this project will help to further reveal the its mechanism of how iron oxide affect the anaerobic decomposition process of organic matter and methane production in, and to understand the role of nature microorganisms in the iron and carbon cycle and its biogeochemistry mechanism.

短链脂肪酸互营氧化是影响土壤、河流和海洋等沉积物环境中有机质转化生成甲烷的关键环节之一，研究表明铁氧化物能够促进短链脂肪酸互营氧化生成甲烷，但其作用机制尚不清晰。本项目拟构建厌氧生物反应系统，以短链脂肪酸为底物，添加铁氧化物矿物，研究铁氧化物促进短链脂肪酸互营氧化生成甲烷的过程及其动力学、关键中间代谢产物和微生物群落演化特征；查明铁氧化物对微生物群落演化的影响及其与短链脂肪酸转化途径和甲烷生成过程之间的关系；分析铁氧化物特性与微生物溶解性代谢产物的电子传递能力之间的内在联系；分析在厌氧微生物作用下铁氧化物的分解动力学和次生矿物转化特征；揭示脂肪酸氧化菌、铁还原菌和产甲烷菌在不同铁氧化物参与下的竞争或互营机制。本项目的实施有助于进一步揭示铁氧化物对有机物厌氧分解生成甲烷过程中的影响及其作用机制，认识自然界微生物在铁、碳循环过程中的作用及其生物地球化学机制。

短链脂肪酸互营氧化是影响土壤、河流和海洋等沉积物环境中有机质转化生成甲烷的关键环节之一，研究表明铁氧化物能够促进短链脂肪酸互营氧化生成甲烷，但其作用机制尚不清晰。本项目以构建的间歇式和连续流产甲烷系统为对象，研究甲烷产生动力学、微生物群落演变和微生物代谢产物性能等对铁氧化物的响应及机制。结果表明碳源类型及浓度、接种微生物浓度、铁氧化物类型和投加量都对铁氧化物-厌氧生物系统的甲烷产生动力学和产率、主导微生物等有显著影响。铁氧化物加入后触发了直接电子传递途径产甲烷过程，DNA-SIP进一步确认参与此过程的微生物主要是Clostridium和Methanothrix，宏基因组分析结果表明铁氧化物类型显著影响产甲烷途径中的基因表达相对丰度。利用修正的ADM模型研究了针铁矿-产甲烷体系内不同电子传递途径对总甲烷产生的贡献，结果表明针铁矿的加入显著提高了直接电子传递途径的贡献。电化学分析结果表明体系内微生物代谢产物的电子传递能力同加入的铁氧化物导电性密切相关，铁氧化物能够促进电化学活性细菌和混合厌氧微生物代谢产物的电子接受能力，iTRAQ分析结果进一步揭示了体系内Fe-氢酶以及四氢甲烷蝶呤-甲基转移酶E亚基的表达显著上调。铁氧化物-厌氧产甲烷体系脂肪酸氧化菌、铁还原菌均可以同产甲烷菌间通过DIET发生互营作用，脂肪酸氧化菌具有竞争优势。本项目的顺利实施有助于揭示铁氧化物对有机物厌氧分解生成甲烷过程中的影响及其作用机制，认识自然界微生物在铁、碳循环过程中的作用及其生物地球化学机制以及认识铁氧化物-微生物交互作用及其环境效应。