沉水植物根际——驱动沉积物有机质矿化的引擎

2023年04月27日

　　铁氧化物在有机碳固持过程中扮演双刃剑的角色，与碳循环过程紧密耦合。铁氧化物对于有机碳固持/矿化的双重作用在土壤、沉积物与植物根际广泛存在。水生植物根际常富集铁氧化物并形成铁膜，因此水生植物根际的铁碳循环对于沉积物碳库的稳定性具有重要影响。目前，植物根际“锈汇”研究主要集中于陆生植物和水稻、芦苇等生活在干湿交替环境的水生植物，对于普遍存在泌氧能力、根际氧化还原环境时空异质性大的沉水植物关注较少。

　　针对这一现状，中国科学院南京地理与湖泊研究所丁士明研究员团队选择了中国常见的沉水植物苦草（Vallisneria natans），获取了Vallisneria natans根际的铁、碳和铁细菌微生物群落组成，以及O2、CO2和碳相关酶活性的高时空分辨率分布特征，明确了沉水植物根际铁膜“锈汇”效应，讨论沉水植物根际铁与碳的耦合关系。主要研究结果如下：

　　CO2的空间分布显示，Vallisneria natans根际CO2的浓度显著高于沉积物，CO2的时间分布显示，根基部的CO2浓度呈现夜间增加、白天减少的微弱趋势，而根尖的CO2浓度没有明显的昼夜规律（图1）。这两种CO2浓度的昼夜模式曾分别被报道，该研究首次发现它们在同一根系共存。CO2在根际的空间分布与碳相关酶不同步，表明C相关酶促进的有机质降解不是决定CO2分布的主要因素（图1）。尽管CO2和O2的时间分布也不同步甚至相反，但由于CO2最大浓度出现在有氧的根表面，因此O2诱导的微生物呼吸和根系呼吸仍是根际CO2的重要来源（图1）。

图1 Vallisneria natans根际CO2、O2、葡糖苷酶与木聚糖酶的分布特征

　　由于根系铁膜的存在，微生物介导的异化铁还原可能是另一个重要的CO2来源。针对铁膜组成和微生物群落的分析表明，在根基部铁膜、根尖铁膜与沉积物样品中，结晶态铁都是最主要的部分（>50%），其次是有机络合态铁和无定形铁（图2）。根尖铁膜中所有形态的铁氧化物浓度都显著高于根基区域和沉积物（P < 0.05），表明根尖的铁氧化反应很活跃。令人意外的是，无定形铁在根尖区的浓度最高，但该结合态碳的浓度在根尖（36.14±4.19 mg/g）、根基部（36.44±1.74 mg/g）和沉积物（38.25±3.56 mg/g）之间没有显著差异（P > 0.05）。在Fe-OC复合体中，三价铁的还原可以活化Fe和与之络合的有机质，而且有机质的释放可能比Fe释放更快和更多。在此基础上，结合根际最高浓度CO2出现在根尖区域，可以推断根尖区域具有活跃的、由铁还原菌驱动的铁还原和有机质氧化过程。根尖区域的铁氧化细菌和铁还原细菌落的富集也支持这一观点（图2）。

图2 根际铁膜铁碳组成与微生物组成

　　微生物驱动的铁氧化过程不仅提高了有机质的稳定性，并且产生了能够为异化铁还原过程提供理想的底物无定形铁。尽管根尖区O2浓度相对较低，但丰富的铁氧化菌也能促进铁氧化过程。因此，在根系泌氧和铁细菌的推动下，根系铁的循环是活跃的，并不断矿化有机质产生CO2。该研究通过平面光极技术直观地说明，沉水植物的铁膜是有机质矿化的热点，根尖区作为沉水植物根部最活跃的区域，是一个高效的碳矿化引擎，而非“锈汇”，这一研究成果对于准确评价沉积物碳库以及研究湖泊碳循环具有重要意义。

图3 植物根际驱动的铁氧化-碳固定与铁还原-碳矿化过程示意图

　　上述研究以The Root Tip of Submerged Plants: An Efficient Engine for Carbon Mineralization为题，发表于环境领域著名期刊Environmental Science & Technology Letters。中国科学院南京地理与湖泊研究所丁士明研究员为该论文通讯作者，博士研究生钟志淋为第一作者，该研究得到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的联合资助。

　　论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.estlett.3c00065