水稻根際等微氧條件土壤中微生物驅(qū)動(dòng)亞鐵氧化過(guò)程較為普遍，形成的鐵氧化物表面正電荷豐富，可有效阻止重金屬?gòu)耐寥老蛑参矬w遷移。然而，微氧環(huán)境過(guò)程及其多元素耦合循環(huán)研究，由于研究手段限制及關(guān)鍵證據(jù)獲取的難度，未能有效明確。中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員劉承帥課題組與廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所副研究員童輝等合作，采用氣氛可控式手套箱研究體系，在前期證實(shí)了亞鐵通過(guò)微氧型鐵氧化菌氧化沉淀，并進(jìn)一步老化成水鐵礦，該過(guò)程能有效氧化并固定活性態(tài)As(Ⅲ)（Geochimica et Cosmochimica Acta,2019,265,95-108）。研究發(fā)現(xiàn)，鐵和砷的生物氧化過(guò)程中，大多數(shù)微生物需要有機(jī)物作為碳源提供能量供其生長(zhǎng)，但是喀斯特碳酸鹽巖發(fā)育土壤中，碳主要以碳酸鹽形式存在，微生物如何利用無(wú)機(jī)碳獲取能量進(jìn)行亞鐵和砷氧化的過(guò)程仍不明確。

針對(duì)這一問(wèn)題，課題組利用穩(wěn)定同位素核算探針技術(shù)（DNA-SIP）進(jìn)一步研究了喀斯特稻田土壤微氧亞鐵氧化過(guò)程中的碳固定機(jī)制及砷的轉(zhuǎn)化規(guī)律。結(jié)果表明，亞鐵氧化過(guò)程中碳的同化速率最高可達(dá)8.02 mmol C m-2 d-1，與之前報(bào)道的海洋中亞鐵或硫氧化過(guò)程中的碳同化速率接近。Bradyrhizobium、Cupriavidus、Hyphomicrobium、Kaistobacter、Mesorhizobium、Rhizobium為體系中主要參與碳同化的功能微生物。通過(guò)對(duì)高通量數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)卡爾文循環(huán)（Calvin-Benson-Bassham）為微氧亞鐵氧化菌固碳的主要途徑。固碳的同時(shí)，生物亞鐵氧化過(guò)程形成的鐵氧化物能有效吸附固定體系中的砷，共沉淀態(tài)砷主要以As(V)形式存在，說(shuō)明砷的生物氧化能促進(jìn)砷的沉淀，并形成二次礦物。研究表明，微氧型鐵氧化菌驅(qū)動(dòng)的亞鐵氧化耦合碳固定過(guò)程能增加土壤中有機(jī)碳含量，并能促進(jìn)砷的氧化以及砷在鐵氧化物表面的吸附作用，有效降低砷的作物可利用性。該研究對(duì)于利用土壤鐵循環(huán)提高土壤肥力及降低重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)具有重要的支撐作用。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Environmental Science and Technology上，并被遴選為封面論文。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃等的資助。