Wetland soil organic carbon balance is reversed by old carbon and iron oxide additions  

濕地土壤有機碳平衡被舊的碳和氧化鐵添加所逆轉

來源：Front. Microbiol. 14:1327265  

《微生物學前沿》第14卷，文章編號1327265  

 

摘要內容  

研究通過淡水濕地（富碳鐵）和鹽堿濕地（貧碳鐵）的厭氧培養(yǎng)實驗，探究赤鐵礦（Hem）和褐煤（Lig）添加對土壤有機碳平衡的影響。結果表明：Lig通過促進鐵結合有機碳（Fe-OC）形成導致凈碳積累（淡水濕地：5.9±3.6 mg g?1；鹽堿濕地：8.3±3.2 mg g?1），而Hem通過改變微生物群落結構顯著增加有機碳礦化（尤其在淡水濕地）。結晶態(tài)鐵氧化物單獨添加會增強碳礦化，但老碳（富含芳香族和烷基化合物）能促進Fe-OC形成并提高碳持久性。  

 

研究目的  

量化鐵氧化物介導的有機碳保存與礦化的凈效應。  

 

闡明結晶鐵氧化物（如赤鐵礦）和老碳（褐煤）在濕地碳循環(huán)中的作用機制。  

 

為濕地土壤碳匯恢復提供理論依據(jù)。  

 

研究思路  

實驗設計：選取淡水濕地（FW）和鹽堿濕地（SW）土壤，設置四組處理（對照、Hem添加、Lig添加、Hem+Lig添加），進行63天厭氧培養(yǎng)。  

 

數(shù)據(jù)采集：監(jiān)測Fe(II)產(chǎn)量、CO?/CH?排放速率（圖3）、鐵氧化物結合碳含量（圖1-2）、微生物群落結構（圖5-6）及pH變化。  

 

 

 

 

 

 

機制分析：通過隨機森林回歸和結構方程模型（圖7）解析微生物群落與碳動態(tài)的關聯(lián)。  

 

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義  

鐵氧化物與有機碳提取量（圖1、圖2）：  

 

數(shù)據(jù)意義：量化不同鐵形態(tài)（有機絡合鐵、短程有序鐵、晶態(tài)鐵）對碳保存的貢獻，揭示Lig通過鈉焦磷酸鹽提取態(tài)鐵（Fe??）顯著增加碳保存（C/Fe??達11-48）。  

Fe(II)產(chǎn)量與氣體排放（圖3）：  

 

 

數(shù)據(jù)意義：Hem抑制淡水濕地Fe(III)還原菌活性（如Geobacter），但通過富集放線菌（Actinobacteria）和厚壁菌（Firmicutes）增強CO?排放（FW-Hem累積排放最高）。  

微生物群落結構（圖5-6）：  

 

數(shù)據(jù)意義：Hem降低呼吸型鐵還原菌（如Geobacter）豐度，但促進發(fā)酵型菌（Clostridium）增殖，驅動碳礦化途徑轉變。  

pH數(shù)據(jù)（文中提及）：  

 

使用丹麥Unisense電極測量意義：精確監(jiān)測厭氧條件下pH變化（FW初始pH 6.54→處理后期變化），揭示低pH抑制Fe(III)還原菌活性，但促進發(fā)酵途徑碳分解，為理解鐵還原與碳礦化的環(huán)境調控提供關鍵參數(shù)。  

 

結論  

碳保存與礦化平衡：Lig通過形成Fe-OC實現(xiàn)凈碳積累，Hem則因改變微生物群落導致碳損失（圖4）。  

 

 

微生物機制：Hem抑制呼吸型鐵還原菌，但富集放線菌等copiotrophs（富營養(yǎng)型微生物），激活非鐵依賴的碳礦化途徑（如發(fā)酵）。  

 

應用價值：添加芳香族老碳（如褐煤）可優(yōu)先形成穩(wěn)定Fe-OC，減少鐵氧化物引發(fā)的碳礦化，適用于濕地碳匯恢復。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細意義  

使用丹麥Unisense微電極測量的pH數(shù)據(jù)（文中提及在厭氧培養(yǎng)的第4、21、63天監(jiān)測），揭示了以下機制：  

Fe還原菌活性調控：Geobacter等鐵呼吸菌的最適pH為6.7-7.0，初始pH降低（如Hem處理）抑制其活性，減少Fe(III)還原驅動的碳礦化。  

 

發(fā)酵途徑激活：低pH促進Clostridium等發(fā)酵菌生長，轉向產(chǎn)CO?的非鐵依賴代謝途徑，解釋為何Hem處理Fe(II)產(chǎn)量低但CO?排放高（圖3B）。  

 

質子動態(tài)關聯(lián)：Fe(III)還原過程消耗質子（H?），導致后期pH回升，動態(tài)pH變化影響微生物群落演替與碳分解路徑選擇。  

 

這些數(shù)據(jù)為理解厭氧條件下pH-微生物-鐵碳耦合作用提供了直接證據(jù)，是解析碳礦化途徑轉換的關鍵參數(shù)。