鐵氨氧化：新型的厭氧氨氧化過程及其生態(tài)意義

鐘小娟, 王亞軍, 唐家桓, 張 巒, 周順桂

(福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002)

氮循環(huán)是生物圈基本的物質(zhì)循環(huán)之一.大氣中的氮在固氮微生物的作用下，進(jìn)入土壤為動植物所利用，最終又在硝化菌、反硝化菌、厭氧氨氧化菌等微生物的參與下返回大氣中.這些過程可歸結(jié)為氮的固定、硝化作用、反硝化作用和氨化作用4個過程[1].人們通常認(rèn)為反硝化作用是氮素返回大氣的唯一途徑，厭氧氨氧化也是大氣中氮氣來源的主要來源[2].反硝化作用和厭氧氨氧化過程只能發(fā)生在微氧環(huán)境，然而，Bartlett et al[3]和Grantz et al[4]卻在厭氧環(huán)境中檢測到大量氮素的損失.因此推測，除了已知的反硝化過程、厭氧氨氧化過程導(dǎo)致氮素?fù)p失外，必有其他的途徑導(dǎo)致土壤中氮素的損失，其中鐵氨氧化是厭氧環(huán)境中氨氧化的一個重要途徑，是氮素?fù)p失的一個重要組成部分.

1 鐵氨氧化的發(fā)現(xiàn)及其生境

1.1 鐵氨氧化的發(fā)現(xiàn)歷程

2015年劉敏團隊發(fā)現(xiàn)潮間帶濕地土壤中存在鐵氨氧化過程.經(jīng)估計，估計該過程導(dǎo)致每年11.5～18 t·km-2的氮損失，約占整個氮流失的3.1%～4.9%[9].同年，Huang et al以森林濕地為接種來源，經(jīng)過6個月的培養(yǎng)、馴化，分離出一株酸微菌A6新菌，該菌兼具氨氧化和鐵還原的功能[10].A6菌種的分離和鑒定，為鐵氨氧化的研究提供了微生物基礎(chǔ)，具有里程碑式的意義.

1.2 鐵氨氧化發(fā)生的生境

熱力學(xué)上可自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，在自然界中必存在微生物驅(qū)動同樣的化學(xué)反應(yīng)；熱力學(xué)上不能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，在微生物相互作用下，也可以自發(fā)進(jìn)行[10].從熱力學(xué)角度分析，pH對鐵氨反應(yīng)影響較大.當(dāng)pH大于6時，鐵氨氧化的吉布斯自由能(ΔG)大于零，反應(yīng)不可自發(fā)進(jìn)行， Yang et al[7]和Huang et al[10]都證實了pH對鐵氨氧化的重要性。然而，在實際環(huán)境中，鐵氨氧化的發(fā)生并不局限于偏酸性環(huán)境，在堿性的區(qū)域同樣存在鐵氨氧化現(xiàn)象，比如潮間帶區(qū)域[9]，但其機理有待探明.

研究表明，有機物的存在對厭氧氨氧化菌的生長代謝是不利的.理論上，鐵氨氧化菌也屬于厭氧氨氧化菌.因此，有機物的存在對鐵氨氧化菌的生存不利[13].然而，美國科研團隊研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)無機碳的濃度從0.20 mmol·L-1提高到1.20 mmol·L-1，產(chǎn)物中的Fe(Ⅱ)濃度升高，其作用機制有待進(jìn)一步研究[10].氧氣濃度是微生物生產(chǎn)繁殖的主要影響因子，鐵還原菌是嚴(yán)格厭氧菌，溶解氧對其生長代謝活性影響較大,研究表明鐵氨氧化過程具有被低濃度氧氣可逆性抑制特性.

表1 鐵氨氧化反應(yīng)生境的主要影響因子Table 1 Main influencing factor for Feammox in the environment

2 鐵氨氧化的發(fā)生機制

鐵氨氧化以鐵作為電子受體，反應(yīng)中鐵的形式、氨氧化的產(chǎn)物對反應(yīng)的發(fā)生與難易程度有較大的影響.Cle′ment et al推測鐵氨氧化的方程式如下所示，其ΔG為-30.9 kJ·mol-1，反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行[5].

然而，從熱力學(xué)角度分析(表2)，氨氧化產(chǎn)物的形式不同，導(dǎo)致ΔG不同，進(jìn)而影響反應(yīng)進(jìn)行的難易程度.3種產(chǎn)物在熱力學(xué)上都可自發(fā)進(jìn)行，當(dāng)產(chǎn)物是N2時，鐵氨氧化更容易發(fā)生.

表2 鐵氨氧化不同產(chǎn)物下的吉布斯自由能(氫氧化鐵為電子受體)Table 2 Gibbs free energy produced by Feammox with different products (Fe(OH)3) as the electron acceptor

當(dāng)電子受體以氧化鐵的形式參與反應(yīng)，氨氧化反應(yīng)的產(chǎn)物是N2時，其ΔG是-145 kJ·mol-1.

熱力學(xué)上可自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，在自然界必然存在微生物驅(qū)動該反應(yīng).1977年，Broda從熱力學(xué)上推測自然界存在微生物可以發(fā)生以下厭氧氨氧化反應(yīng)(ΔG小于零)[15].

該反應(yīng)的ΔG為-357 kJ·mol-1，因此，雖然在與厭氧氨氧化的競爭上鐵氨氧化處于劣勢，但鐵氨氧化確實在地表的各種生境中存在.同時，熱力學(xué)上不能自發(fā)發(fā)生的反應(yīng)，在微生物互營與協(xié)同的作用下也是可以發(fā)生的.比如，在多種微生物協(xié)同作用下，原本由產(chǎn)氫細(xì)菌降解有機物反應(yīng)(ΔG大于零)可順利發(fā)生，從而使有機物順利被降解[18-19].

圖1 鐵氨氧化胞外電子傳遞模型圖Fig.1 Model of extracellular electron transport for Feammox

3 鐵氨氧化的生態(tài)學(xué)意義

3.1 參與元素生物地球化學(xué)循環(huán)

氮循環(huán)是生物圈中基本的循環(huán)之一，影響著人類生活的方方面面.土壤中含有豐富的鐵，異化Fe(Ⅲ)還原是土壤中重要的元素循環(huán)之一，并被認(rèn)為是可調(diào)控其他元素的生物地球化學(xué)過程[20].研究表明，在水稻土、濕地和熱帶森林等土壤中發(fā)現(xiàn)異化Fe(Ⅲ)還原與氮元素循環(huán)之間存在聯(lián)系，然而人們對稻田土壤中微生物介導(dǎo)的異化Fe(Ⅲ)還原與氮元素循環(huán)相耦合的過程知之甚少[21].

土壤氮素的轉(zhuǎn)化過程，如厭氧反硝化、厭氧氨氧化、硝酸鹽還原等都與鐵循環(huán)密切相關(guān)[22-24].長期以來，F(xiàn)e(Ⅲ)還原與Fe(Ⅱ)氧化被誤認(rèn)為是純化學(xué)過程，主要受非生物因素控制(如pH-Eh條件).在厭氧環(huán)境中，由于缺乏氧氣，亞硝酸鹽的生成受阻，無法有效進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng).因此，理論上，鐵氨氧化過程是厭氧環(huán)境中氮素被氧化的主要途徑.當(dāng)水稻土干旱時，土壤中Fe(Ⅲ)濃度上升；導(dǎo)致在淹水時，鐵氨氧化過程加快，從而加劇了氮素的損失.鐵氨氧化過程在氮循環(huán)中起到了重要作用，土壤中氮損失的來源及其機理需要進(jìn)一步評估.這為氮的生物轉(zhuǎn)化過程提供新的研究方向.

朱永官團隊首次證明了稻田土壤中存在鐵氨氧化過程，估算該過程造成的氮素?fù)p失約占氨肥施用量的3.9%～31.0%[8].2015年，朱永官探究了長期施氮肥對水稻土壤中異化鐵還原微生物群落遷移的影響，結(jié)果表明長期施氮肥能促進(jìn)土壤中Fe(Ⅲ)的還原，并導(dǎo)致氮素在乙酸鹽同化的Fe(Ⅲ)還原微生物群的遷移過程中減少.說明水稻田施用銨態(tài)氮肥有助于鐵還原氨氧化過程的進(jìn)行，提高水稻田的氮素利用率[21].這些研究表明了鐵氨氧化是自然界中普遍存在的現(xiàn)象.鐵氨氧化過程偶聯(lián)了氮和鐵兩大循環(huán)，具有重大的意義.鐵氨氧化過程的發(fā)現(xiàn)，推動了微生物介導(dǎo)的鐵循環(huán)、氮循環(huán)的研究(圖2)，為人們深入理解鐵循環(huán)及其環(huán)境效應(yīng)提供新的研究方向.

該氮循環(huán)過程引自文獻(xiàn)8圖2 鐵氨氧化過程參與土壤微生物介導(dǎo)的氮循環(huán)過程Fig.2 Feammox in the cycle of N element mediated by soil bacterial

3.2 減少溫室氣體排放

3.3 加深對鐵還原微生物的認(rèn)識

3.4 拓寬胞外電子傳遞研究領(lǐng)域

微生物呼吸作用的實質(zhì)是將氧化底物過程中產(chǎn)生的還原性輔酶NADH2和FADH2重新氧化，產(chǎn)生的電子經(jīng)電子載體沿呼吸鏈傳遞給末端的電子受體，并結(jié)合H+轉(zhuǎn)運至細(xì)胞質(zhì)膜外，得到跨膜質(zhì)子動力進(jìn)行合成ATP來維持細(xì)胞的生長.微生物進(jìn)行呼吸時電子傳遞有多種途徑，而胞外呼吸是近年來新發(fā)現(xiàn)的微生物能量代謝方式.在厭氧條件下，微生物在細(xì)胞內(nèi)將有機物徹底氧化后釋放電子，經(jīng)細(xì)胞內(nèi)呼吸鏈傳遞至細(xì)胞外的電子受體，使其還原并產(chǎn)生能量來維持微生物細(xì)胞生長的過程稱為胞外呼吸[32].微生物進(jìn)行胞外呼吸具有相當(dāng)重要的應(yīng)用價值，在污染物的原位修復(fù)、污水處理和對生物質(zhì)能的回收利用等領(lǐng)域表現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景[33].

4 展望

鐵氨氧化是氮素循環(huán)的重要生物地球化學(xué)過程，未來的研究應(yīng)重點關(guān)注：(1)微生物的分離鑒定.現(xiàn)有的研究表明，具有鐵氨氧化功能的氨氧化微生物是可以純培養(yǎng)的，這為鐵氨氧化的研究提供了基礎(chǔ)以及方向.鐵氨氧化微生物資源及其功能還有待進(jìn)一步研究；

(2)代謝機制.迄今為止，我們對鐵氨氧化的認(rèn)識才剛起步，對其代謝過程的電子傳遞機制只是宏觀的認(rèn)識，但是對其微觀的生物代謝過程機制是怎樣？目前還是一個謎.因此，須在微生物分離純化的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代生物化學(xué)與電化學(xué)分析技術(shù)等多學(xué)科的交叉，闡明鐵氨氧化的代謝機制；

(3)研究手段.現(xiàn)有的研究手段主要是同位素標(biāo)記技術(shù)，然而氮素轉(zhuǎn)化過程相當(dāng)復(fù)雜，氮素轉(zhuǎn)化過程的中間產(chǎn)物多種多樣；因此有必要拓展研究方法手段.比如結(jié)合DNA同位素探針技術(shù)，原位研究鐵氨氧化的分布特征等技術(shù)應(yīng)該成為今后研究的重點；

(4)生態(tài)效應(yīng).鐵氨氧化影響元素(如氮、鐵等)的地球化學(xué)循環(huán).如何從微觀尺度出發(fā)，開展鐵氨氧化效應(yīng)在元素生物地球化學(xué)循環(huán)中的作用、物質(zhì)循環(huán)等研究，需要地球物理、地球化學(xué)、微生物學(xué)等多學(xué)科的交叉綜合.

該電子傳遞示意圖源自文獻(xiàn)37圖3 電子穿梭體促進(jìn)鐵氨氧化過程電子傳遞示意圖Fig.3 Model of shuttles enhance electron transport for Feammox process

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