Ferrihydrite-mediated methanotrophic nitrogen fixation in paddy soil under hypoxia  

缺氧條件下水稻土中水鐵礦介導的甲烷氧化菌固氮作用  

來源：ISME Communications, 2024, 18(1), ycae030

《ISME通訊》，2024年，第18卷，第1期，文章編號 ycae030

 

摘要內容：  

摘要指出甲烷氧化菌的生物固氮（BNF）對維持土壤肥力至關重要，但該過程長期被認為僅在富氧條件下發(fā)生。本研究通過水鐵礦（ferrihydrite）介導的缺氧水稻土微宇宙實驗，首次證實了缺氧條件下（0.27% O?）甲烷氧化菌可利用水鐵礦作為電子受體驅動固氮作用。關鍵發(fā)現(xiàn)包括：  

水鐵礦依賴的甲烷氧化貢獻了81%的總固氮量，使1?N固定速率提升13倍（從0.02增至0.28 μmol 1?N?·g?1干土·d?1）。  

 

DNA穩(wěn)定同位素示蹤（DNA-SIP）表明Methylocystis、Methylophilaceae和Methylomicrobium是主導的甲烷氧化菌/甲基營養(yǎng)菌。  

 

宏基因組分析揭示這些微生物可能通過核黃素和c型細胞色素介導電子傳遞實現(xiàn)水鐵礦還原。  

 

研究目的：  

探究缺氧水稻土中水鐵礦介導甲烷氧化菌固氮的可行性、效率及機制，闡明碳（甲烷）、氮（固氮）、鐵（水鐵礦還原）循環(huán)的耦合過程。  

 

研究思路：  

微宇宙實驗設計：在缺氧條件下（O?=0.27%），向水稻土中添加水鐵礦和甲烷（20%），設置對照組（無甲烷、無水鐵礦、無土壤等）。  

 

過程驗證：監(jiān)測甲烷消耗、Fe(II)生成和銨積累，結合13CH?和1?N?同位素示蹤量化固氮速率。  

 

微生物鑒定：通過DNA-SIP和宏基因組分箱（binning）鑒定功能微生物及代謝途徑。  

 

機制解析：電化學分析（如微分脈沖伏安法）和基因功能注釋揭示電子傳遞機制。  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義：  

甲烷消耗量（圖1A、表2）：證明水鐵礦顯著增強甲烷氧化，缺氧條件下甲烷氧化活性依賴于水鐵礦。  

Fe(II)生成量（圖1B、表2）：表明甲烷氧化耦合水鐵礦還原，F(xiàn)e(II)積累與固氮正相關。  

銨積累量（圖1C、表2）：反映固氮產物，與Fe(II)生成強相關（R2=0.94），證實鐵還原與固氮耦合。  

13C/1?N同位素豐度（圖1D）：13CH?和1?N?在微生物生物量中的富集，直接證明甲烷氧化菌同化碳源并固定氮氣。  

 

 

 

pmoA/nifH基因表達量（圖2）：水鐵礦添加顯著提升甲烷單加氧酶（pmoA）和固氮酶（nifH）的轉錄水平，表明水鐵礦激活相關功能基因。  

 

 

DNA-SIP微生物群落（圖3）：重密度同位素標記組分中Methylocystis、Methylophilaceae等富集，確認其參與甲烷氧化和固氮。  

 

 

宏基因組代謝途徑（圖4-5）：Methylocystis和Methylophilaceae的MAGs含完整固氮基因簇（nif）及電子傳遞基因（c-Cyts、核黃素合成基因），揭示其獨立或協(xié)同鐵還原菌介導電子傳遞的能力。  

 

 

 

結論：  

水鐵礦介導的甲烷氧化使缺氧水稻土固氮速率提升13倍（0.28 μmol N?·g?1干土·d?1），貢獻81%的總固氮量。  

 

Methylocystis、Methylophilaceae和Methylomicrobium是主導功能菌，可能通過核黃素和c型細胞色素獨立還原水鐵礦，或與鐵還原菌（如Geobacter）協(xié)同完成電子傳遞。  

 

該過程揭示了甲烷氧化菌在缺氧土壤中耦合碳、氮、鐵循環(huán)的新途徑，為減少農業(yè)氮肥依賴及稻田溫室氣體減排提供理論依據(jù)。

 

 

Unisense微電極數(shù)據(jù)的意義：  

使用丹麥Unisense微電極（結合Sensor Trace Pro軟件）精確測量溶解氧（DO），確認微宇宙中缺氧環(huán)境（DO~0.1 mg·L?1）。該數(shù)據(jù)的研究意義在于：  

嚴格量化實驗系統(tǒng)的缺氧程度（0.27% O?），排除傳統(tǒng)好氧甲烷氧化的干擾。  

 

為"缺氧條件下鐵依賴甲烷氧化（Fe-AMO）驅動固氮"的核心結論提供關鍵環(huán)境參數(shù)支撐。  

 

驗證水稻根際典型缺氧場景的模擬可靠性，增強研究的環(huán)境相關性。