不同碳源模式下水稻土中脱氢酶活性与微生物铁还原的关系

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水稻土中的异化Fe(III)还原过程因其具有丰富的碳水化合物作为电子供体以及庞大的微生物物种库而独具特色。土壤脱氢酶活性与微生物代谢活性相关,水稻土在淹水过程中会发生一系列的生物化学变化,其中微生物代谢产氢过程是电子传递链的重要环节。因此可以利用脱氢酶作为土壤微生物的活性指标反映土壤中的碳源被利用的程度。同时,土壤中NO3-、SO42-和Fe(III)在厌氧环境中可作为受氢体,脱氢酶活性也可间接表征土壤厌氧呼吸中反硝化、硫酸盐还原和氧化铁还原等重要的生物学变化过程。在稻田的干湿交替变化中,脱氢酶活性也是表征环境氧化还原状态的一个重要参数。因此,研究水稻土异化铁还原过程中脱氢酶活性的变化、探讨脱氢酶活性与异化铁还原过程的关系对于阐明水稻土微生物Fe (III)还原机理具有重要的意义。该论文以采自我国不同植稻区的4类水稻土为试验材料,对脱氢酶活性测定的影响因素进行研究,探讨了水稻土泥浆脱氢酶的测定方法。采用土壤泥浆培养、土壤浸提液作为微生物接种菌液的混合培养以及典型铁还原菌株的纯培养试验体系,比较了Fe(III)还原与脱氢酶活性变化的相互关系及其添加不同的碳源后对氧化铁还原、体系pH变化和脱氢酶活性的影响,对微生物Fe (III)还原过程和脱氢酶活性的动力学特性进行了表征,为揭示水稻土中Fe(III)还原途径与机理、进一步认识H2-依赖型Fe(III)还原过程对水稻土中微生物铁还原的贡献提供科学依据。研究取得以下主要结果:(1)通过试验确定了水稻土泥浆中脱氢酶活性测定的适宜条件。其TTC浓度为10mg·mL-1,反应时间为15min,乙醇为萃取剂的最优选择,萃取时间选择0.2h,480nm为比色测定的最大吸收峰。(2)在添加不同有机碳源和无定形氧化铁后,葡萄糖和丙酮酸钠能够促进铁还原微生物快速生长代谢,加速Fe(III)还原过程的完成,而无定形氧化铁的加入虽然能够提高铁还原潜势,但是却使铁还原滞后。表明氧化铁的表面吸附作用是研究微生物铁还原过程需要关注的影响因素。(3)添加碳源能够增快脱氢酶的产生,但不同种类的碳源对脱氢酶活性的影响程度存在明显差异。在汉中水稻土中,脱氢酶活性增长快慢表现为葡萄糖和丙酮酸盐处理大于乳酸盐;贵州水稻土脱氢酶活性增长快慢的顺序大致为乳酸钠﹥丙酮酸钠﹥葡萄糖;吉林水稻土的丙酮酸盐处理在培养2天后脱氢酶活性便迅速增加,其次为乳酸盐处理,添加葡萄糖处理的脱氢酶活性增长的最慢;天津水稻土中加入三种碳源的处理中脱氢酶活性相差不大。(4)无定形氧化铁的加入改变了微生物利用碳源的代谢途径,提高微生物发酵底物的脱氢产氢能力,显著提高了脱氢酶的生成速率,最大生成速率对应的时间提前了2-4d。微生物铁还原过程与脱氢酶活性的产生有相关性,当脱氢酶大量产生时,Fe(III)还原开始快速启动,到培养后期,脱氢酶活性有所降低,Fe(III)还原基本完成,SO42-等作为电子受体代替Fe(III)接受[H]。(5)微生物群落在不同淹水时间表现出的差异是导致其对碳源利用程度差异的主要原因,同时也反应出利用不同碳源进行脱氢反应并还原Fe(OH)3的过程有显著差异。在适当的Fe2+浓度范围内,Fe(III)还原过程与微生物的脱氢反应之间存在一定的相关性,且微生物利用葡萄糖和乳酸盐进行脱氢反应时较低的Ks值说明微生物对葡萄糖和乳酸盐的亲和力较强。不同碳源导致的脱氢酶活性出现峰值的时间具有明显的差异,葡萄糖为碳源时脱氢酶出现峰值的时间最早,大约在厌氧培养的5d左右;丙酮酸盐的脱氢酶出现峰值时间居中,一般为10d~15d;利用乳酸盐时的脱氢酶峰值出现的时间最晚,通常在20d~25d之间。表明碳源对产生的脱氢酶种类有明显的影响。(6)4株铁还原菌株对碳源的响应具有显著差异,MR-1、P4、SC-a17、SC-a24均能够以葡萄糖为优势碳源进行脱氢反应和Fe(III)还原,但不能利用乳酸盐为底物。4株铁还原菌代谢葡萄糖的铁还原过程与脱氢酶的变化具有相关性,脱氢酶活性峰值出现时间与Fe(III)还原最大反应速率对应的时间(TVmax)具有显著正相关关系,且脱氢酶活性出现峰值的时间越早Fe(III)还原最大反应速率(Vmax)越大。推测铁还原菌株代谢葡萄糖产生H2从而促进铁还原反应快速发生可能是其主要的铁还原机制。
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