水稻根际等微氧条件土壤中微生物驱动亚铁氧化过程十分普遍，形成的铁氧化物表面正电荷丰富，可有效阻止重金属从土壤向植物体迁移。但微氧环境过程及其多元素耦合循环研究由于研究手段限制及关键证据获取的难度，一直未能有效明确。中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室刘承帅研究员课题组与广东省科学院生态环境与土壤研究所副研究员童辉等合作，采用气氛可控式手套箱研究体系，在前期证实了亚铁通过微氧型铁氧化菌氧化沉淀，并进一步老化成水铁矿，该过程能有效氧化并固定活性态As(III) (Geochim. Cosmochim. Acta, 2019, 265, 95-108)。在该研究中发现，铁和砷的生物氧化过程中，大多数微生物需要有机物作为碳源提供能量供其生长，但是，喀斯特碳酸盐岩发育土壤中，碳主要以碳酸盐形式存在，微生物如何利用无机碳获取能量进行亚铁和砷氧化的过程仍不明确。
针对这一问题，课题组利用稳定同位素核算探针技术（DNA-SIP）进一步研究了喀斯特稻田土壤微氧亚铁氧化过程中的碳固定机制及砷的转化规律。结果表明，亚铁氧化过程中碳的同化速率最高可达8.02 mmol C m-2 d-1，与之前报道的海洋中亚铁或硫氧化过程中的碳同化速率接近。Bradyrhizobium, Cupriavidus, Hyphomicrobium, Kaistobacter, Mesorhizobium, Rhizobium为体系中主要参与碳同化的功能微生物。通过对高通量数据的预测分析，发现卡尔文循环(Calvin-Benson-Bassham)为微氧亚铁氧化菌固碳的主要途径。固碳的同时，生物亚铁氧化过程形成的铁氧化物能有效吸附固定体系中的砷，共沉淀态砷主要以As(V)形式存在，说明砷的生物氧化能促进砷的沉淀，并形成二次矿物。该研究表明，微氧型铁氧化菌驱动的亚铁氧化耦合碳固定过程不仅能增加土壤中有机碳含量，还能促进砷的氧化以及砷在铁氧化物表面的吸附作用，有效降低砷的作物可利用性。研究结果对于利用土壤铁循环提高土壤肥力及降低重金属污染风险具有重要的支撑作用。
该研究得到国家自然科学基金项目(41603127和41921004)和中科院前沿科学计划(QYZDB-SSW-DQC046)等的资助，近期发表于环境科学重要期刊Environmental Science and Technology，并被遴选为封面论文。
论文信息：Tong H, Zheng CJ, Li B, Swanner ED, Liu CS*, Chen MJ, Xia YF, Liu YH, Ni ZP, Li FB, Feng XB. Microaerophilic oxidation of Fe(II) coupled with simultaneous carbon fixation and As(IIII) oxidation and sequestration in karstic paddy soil. Environmental Science & Technology, 2021, DIO: 10.1021/acs.est.0c05791.
微氧型水稻土亚铁氧化耦合碳同化及砷氧化固定示意图
（刘承帅课题组/供稿）