地大新聞網(wǎng)訊（通訊員 鮑珂曼） 近日，我校地質(zhì)微生物與環(huán)境全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王焰新院士/李平研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊《國(guó)際微生物生態(tài)學(xué)學(xué)會(huì)雜志》（The ISME Journal）在線(xiàn)發(fā)表題為《微生物固氮與鐵還原的雙向協(xié)作》的論文。我校為論文第一完成單位，博士研究生劉曉晗為論文第一作者，李平研究員為論文通訊作者。
微生物固氮（MNF）和異化鐵還原（DIR）是自然環(huán)境中常見(jiàn)的生物地球化學(xué)過(guò)程。氮?dú)猓∟2）雖占大氣近80%，卻需通過(guò)MNF轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮才能被生物利用，DIR則驅(qū)動(dòng)有機(jī)質(zhì)氧化與碳周轉(zhuǎn)。二者分別是維持環(huán)境中氮和鐵元素有效性的核心過(guò)程。然而，這兩大核心過(guò)程之間是否存在相互協(xié)同，其代謝機(jī)制如何在不同物種乃至生態(tài)系統(tǒng)中體現(xiàn)尚未被科學(xué)界深入探究。本研究通過(guò)微生物種內(nèi)和種間純培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)以及環(huán)境樣品微宇宙模擬，結(jié)合同位素示蹤、轉(zhuǎn)錄組、宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)全面揭示了MNF和DIR的協(xié)同效應(yīng)和作用機(jī)制。
微生物固氮與鐵還原雙向協(xié)同作用示意圖
不同生態(tài)系統(tǒng)中固氮與鐵還原的協(xié)同作用
研究發(fā)現(xiàn)MNF和DIR之間進(jìn)行著緊密的相互協(xié)同作用。固氮可使鐵還原速率提高近15倍，而鐵還原對(duì)微生物固氮量貢獻(xiàn)高達(dá)100%。固氮作用顯著上調(diào)了微生物中多個(gè)參與碳代謝途徑的基因轉(zhuǎn)錄水平，包括糖酵解、三羧酸循環(huán)以及電子傳遞鏈成分，微生物量顯著提高，從而促進(jìn)了Fe(Ⅲ）的還原；同時(shí)，F(xiàn)e(III）的還原通過(guò)改善細(xì)胞的能量平衡來(lái)增強(qiáng)MNF：在發(fā)酵型鐵還原菌中，F(xiàn)e(III）在有機(jī)底物發(fā)酵過(guò)程中作為次級(jí)電子受體，增加了能量的產(chǎn)生，而在呼吸型鐵還原菌中，F(xiàn)e(III）作為直接電子受體，加速了電子傳遞和ATP合成，從而支持了N2固定。
這種雙向協(xié)作不僅在微生物種內(nèi)發(fā)生，還在種間進(jìn)行，并在自然環(huán)境中普遍存在，但其強(qiáng)度可能受到有機(jī)質(zhì)供給、氧化還原條件和微生物群落結(jié)構(gòu)調(diào)控。在富營(yíng)養(yǎng)的土壤和海洋環(huán)境中，協(xié)同作用更為顯著；而在營(yíng)養(yǎng)貧乏的熱泉中則相對(duì)較弱。MNF與DIR的協(xié)同具有廣泛的環(huán)境意義：在農(nóng)業(yè)土壤中，它可能幫助維持氮素供應(yīng)、減少化肥依賴(lài)、緩解氮污染；在氧化還原波動(dòng)的環(huán)境中，MNF可能通過(guò)促進(jìn)鐵的還原而加速鐵循環(huán)，進(jìn)而影響砷等重金屬的遷移與固定；在氣候調(diào)控方面，固氮微生物不僅能固定N2，還可能通過(guò)DIR的促進(jìn)作用增強(qiáng)N2O固定，成為自然界潛在的重要溫室氣體匯。
原文鏈接：https://doi.org/10.1093/ismejo/wraf212
（編輯 王俊芳 審稿 陳華文）
鄂公網(wǎng)安備 42011102004169號(hào)
