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Fe(II) Oxidation Shaped Functional Genes and Bacteria Involved in Denitrification and Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium from Different Paddy Soils

反硝化 硝酸盐 化学 缺氧水域 周质间隙 环境化学 反硝化细菌 无机化学 氮气 生物化学 有机化学 基因 大肠杆菌
作者
Dandan Pan,Pengcheng Chen,Guang Yang,Rumiao Niu,Biao Yan,Kuan Cheng,Guoyong Huang,Tongxu Liu,Xiao Min Li,Fangbai Li
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (50): 21156-21167 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c06337
摘要

Microbial nitrate reduction can drive Fe(II) oxidation in anoxic environments, affecting the nitrous oxide emission and ammonium availability. The nitrate-reducing Fe(II) oxidation usually causes severe cell encrustation via chemodenitrification and potentially inhibits bacterial activity due to the blocking effect of secondary minerals. However, it remains unclear how Fe(II) oxidation and subsequent cell encrustation affect the functional genes and bacteria for denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA). Here, bacteria were enriched from different paddy soils with and without Fe(II) under nitrate-reducing conditions. Fe(II) addition decelerated nitrate reduction and increased NO2- accumulation, due to the rapid Fe(II) oxidation and cell encrustation in the periplasm and on the cell surface. The N2O accumulation was lower in the treatment with Fe(II) and nitrate than that in the treatment with nitrate only, although the proportions of N2O and NH4+ to the reduced NO3- were low (3.25% ∼ 6.51%) at the end of incubation regardless of Fe(II) addition. The dominant bacteria varied from soils under nitrate-reducing conditions, while Fe(II) addition shaped a similar microbial community, including Dechloromonas, Azospira, and Pseudomonas. Fe(II) addition increased the relative abundance of napAB, nirS, norBC, nosZ, and nirBD genes but decreased that of narG and nrfA, suggesting that Fe(II) oxidation favored denitrification in the periplasm and NO2--to-NH4+ reduction in the cytoplasm. Dechloromonas dominated the NO2--to-N2O reduction, while Thauera mediated the periplasmic nitrate reduction and cytoplasmic NO2--to-NH4+ during Fe(II) oxidation. However, Thauera showed much lower abundance than the dominant genera, resulting in slow nitrate reduction and limited NH4+ production. These findings provide new insights into the response of denitrification and DNRA bacteria to Fe(II) oxidation and cell encrustation in anoxic environments.
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