水稻根际氮-铁-砷的生物地球化学耦合机制研究

水稻是地球上最重要的农作物，全球拥有1.43亿公顷的种植面积，而且其中75%是淹水种植。在水稻土系统中出现不同的好氧-厌氧界面：表层（几毫米）水稻土和根际水稻土分别由于大气溶解氧和根系放氧而形成的好氧环境，而其他土体为厌氧环境。在这个特殊的生态环境中，铁离子由于具有活跃的价态变化，在水稻土不同的环境微区中，进行活跃的氧化还原生物化学反应，并耦合砷等元素的迁移转化过程，引起不同的生物效应。依赖于硝酸根的铁氧化菌填补了厌氧环境中铁氧化还原循环的空白，而氨氧化功能群是产硝主要限速步骤，因此在水稻土中依赖于硝酸根的铁氧化菌和氨氧化功能群之间势必存在内在的联系，而铁的氧化产物——铁矿是影响砷的迁移转化的重要因素，水稻土中氮-铁-砷的相互关系是由水稻土中的化学过程和生物过程共同作用的结果。 本研究采用土壤根袋系统研究了水稻根际效应对水稻土中的氨氧化作用，依赖于硝酸根的铁氧化作用以及这些过程对砷迁移转运和吸收的作用机制。 1）水分对水稻土铁氧化、还原功能群数量和总微生物群落功能多样性的影响 淹水条件的水稻根表沉积的铁膜量显著高于其他2个含水量较低的处理。2个收获季节（5周和11周）的水稻根表铁膜中铁和磷的含量均成正相关（r=0.98, 0.92; n=12）。在淹水土壤中FeOB和FeRB显著低于他含水量低的处理，而且根际的数量要比非根际高2个数量级。此外，各个处理的根际的微生物群落功能多样性也要比非根际高。这说明水稻土的淹水条件导致微生物多样性降低，FeOB和FeRB的数量和多样性也降低，但是根表铁膜量显著增加。 2）水稻土中依赖于硝酸根的铁氧化细菌和微好氧铁氧化细菌的纯培养分离 从水稻土中分别分离到一株微好氧的铁氧化细菌（PSFeM）和一株依赖于硝酸根的铁氧化细菌(PSFeN)。2株细菌分别为长杆状和短杆状细菌。利用其16S rRNA基因序列进行系统发育分析，发现2株菌株都能分别与现有的已分离的铁氧化菌聚到一簇，但是与2株菌株同源性最高的菌属都没有发现过具有铁氧化功能的细菌，与PSFeM同源性最高的是Ralstonia pickettii,而与PSFeN菌株同源性最高的是Ralstonia solanacearum，这说明铁氧化功能群的系统发育多样性。 3）水稻土中氨氧化细菌和古菌功能群的定量和群落结构分析 氨氧化古菌（AOA）和细菌（AOB）在DNA水平上的amoA基因的比例最高达69.3，这说明古菌是水稻土中的优势氨氧化群。AOA在根际要比非根际丰富，而且比不种苗的水稻土丰富，这说明水稻影响了AOA的丰度。种水稻处理和不种水稻处理的土壤中主要AOA和AOB的amoA基因序列都分别聚到不同的簇，这说明水稻不仅影响了AOA和AOB的amoA基因的拷贝数，而且还影响了群落结构。 4）添加不同形式的外源氮对水稻吸收砷的影响 种苗处理中和对照相比，硝肥的添加减少了非根际土壤溶液中溶解Fe(II)的浓度，而铵肥的添加却增加了根际土壤溶液中溶解Fe(II)的浓度。在不种苗的处理中，氮肥的添加在淹水最初阶段（10天之前）土壤溶液中的Fe(II)的浓度显著低于对照，而且灭菌土壤溶液中Fe(II)的浓度显著高于非灭菌土壤，但在淹水后期Fe(II)的浓度很小。最大然数计数结果显示水稻中具有相当数量的依赖于硝酸根的铁氧化菌（104-106），但是不同的氮肥处理之间没有显著差异。Fe的K边EXAFS谱表明铁膜主要由2-line水铁矿组成，还有少部分针铁矿和赤铁等晶体矿；As的EXAFS谱显示除了KNO3处理，其余处理的铁膜中的砷以三价砷为主。KNO3处理显著减少了水稻根表铁膜的形成，而且还抑制了水稻对砷的吸收。研究表明不同的肥料不仅影响了水稻对总砷的吸收积累的绝对量，还影响了铁膜中砷的存在形态。 5）水合铁矿和石膏的添加对水稻土中砷的归趋影响 外源铁的添加使水稻土中微生物可利用铁显著高于对照和硫处理，积累了大量的可溶性Fe(II)，同时根表形成的铁膜量也显著高于对照；虽然外源铁和硫没有影响铁膜和地下部中铁的含量，但是铁的添加最终减少地上部对砷的吸收；外源的铁和硫的添加对水稻铁膜吸附Ｐ的量和水稻吸收量没有显著影响；水合铁矿的添加将土壤中砷固定在无定型铁铝矿物结合态部分，而减少了土壤中溶解态和专性吸附态砷。 总之，水稻土中氮-铁-砷相互作用，相互影响，其中不仅有化学过程，还有微生物的参与。