研究揭示厌氧铁氮耦合过程的氮氧同位素分馏机制

近日，广东省科学院生态环境与土壤研究所刘同旭研究员团队，运用氮氧双同位素分馏方法和动力学模型方法，深入解析了硝酸还原-亚铁氧化过程（Nitrate reducing Fe(II)-oxidation, NRFO）的微生物机制与化学机制，并在地球化学领域权威期刊《Chemical Geology》发表两篇文章。微生物介导NRFO驱动的厌氧铁、氮元素循环耦合过程，在土壤和地下水等环境中广泛分布，过程中生成的三价铁矿物能通过吸附或共沉淀作用去除土壤中的重金属，如镉、砷等。NRFO过程中出现的微生物作用和化学作用同时发生且难以分割，难以评估其相对贡献。为更好剖析研究问题，首先，研究团队模拟了中性厌氧条件，并选取了典型的硝酸盐依赖亚铁氧化菌 Pseudogulbenkiania sp. strain 2002为模式微生物。在Strain 2002介导的Fe(II)氧化硝酸盐还原过程中，Fe(II)氧化后会生成纤铁矿，从而形成细胞结壳。在分别利用瑞利分馏拟合硝酸盐中的氮氧同位素组成变化后发现，细胞结壳虽对硝酸盐的传输过程产生了限制作用，但不对氮氧同位素分馏产生显著影响。同时，硝酸盐中的氮同位素和氧同位素富集系数的比值(18ε:15ε)可以判别微生物介导的硝酸盐还原过程中的还原酶类型，当18ε:15ε约为1时，细菌还原硝酸盐过程中的还原酶为Nar；当18ε:15ε约为0.5时，还原酶为Nap。本研究结果指示了Strain 2002介导的NRFO过程中Nap参与了硝酸盐的还原。另外，亚硝酸盐是NRFO过程中重要的中间产物，亚硝酸盐被亚铁还原过程(化学反硝化)被认为对NRFO过程具有重要贡献。本研究采用氮氧同位素分馏和动力学模型研究了亚硝酸盐和亚铁之间发生化学反硝化的反应机理。化学反硝化和生物反硝化过程的18ε:15ε也存在显著差异，证实了18ε:15ε可以作为判别耦合体系中的微生物机制和化学耦合机制的特征指标，为微生物-化学耦合体系的研究提供新方法。本工作阐明微生物介导 NFRO 的反应机制，有助于完善目前镉、砷污染的土壤原位修复策略，为我们理解铁、氮的生物地球化学循环提供新的视角。图 微生物介导的NRFO过程和化学反硝化过程中氮氧同位素分馏机理示意图论文信息如下：(1) Guojun Chen#, Dandan Chen#, Fangbai Li, Tongxu Liu*, Zhuyu Zhao, Fang Cao (2020) Dual nitrogen-oxygen isotopic analysis and kinetic model for enzymatic nitrate reduction coupled with Fe(II) oxidation by Pseudogulbenkiania sp. strain 2002, Chemical Geology, 534, 119456.(2) Guojun Chen#, Wenqi Zhao#, Yang Yang, Dandan Chen, Ying Wang, Fangbai Li, Zhuyu Zhao, Fang Cao*, Tongxu Liu* (2021) Chemodenitrification by Fe(II) and nitrite: the effect of temperature and dual N-O isotope fractionation, Chemical Geology, 575, 120258.（省科学院土壤环境所土壤分子过程研究团队 陈国俊/供稿)

【来源：广东省科学院】