生物电流偶联驱动的水稻土有机碳加速矿化机制

“天然微生物燃料电池”是一种发生在氧化/还原界面的自然现象，其本质是通过微生物驱动电子流动，偶联空间上隔离的氧化还原过程。以水稻土作为电子供体（有机碳）与受体（氧气）空间隔离的典型湿地土壤类型，本项目提出了水稻土好氧/厌氧界面"天然微生物燃料电池"假说，探索微生物驱动电子从"有机碳→微生物纳米导电网络→氧气"的长距离转移途径。依托自主研发的水稻土"天然微生物燃料电池"多种实验平台，系统研究了水/土界面氧还原与有机碳氧化的响应关系，重要研究结果：（1）为提供“天然微生物燃料电池”更多、更直接的有力证据，项目结合地球物理勘测方法，建立了三种监测“天然微生物燃料电池”的新方法，分别是自然电位方法、复电阻方法、微电极以及超声波方法。（2）采用循环伏安法考察阴极/阳极生物膜的催化活性、自然电位法测量水稻土剖面电场强度、微电极技术测定微米尺度土壤剖面 pH-Eh-O2动态、复电阻和超声波检测微生物生长代谢和生物膜过程、扫描电镜观察微生物纳米导电网络的微观形态，解析了水/土界面O2 与有机碳间"长距离"电子转移机制，为水/土界面 “天然微生物燃料电池”的形成提供了直接证据。（3）以乙酸钠作为外加碳源，证实了空间隔离的有机碳氧化反应与还原反应偶联发生的可能性，以及"天然微生物燃料电池"对水稻土有机碳矿化过程的强化效应，并在复杂条件下验证了稻田"天然微生物燃料电池"效应并探讨了形成“天然微生物燃料电池”的重要因素。（4）从“天然微生物燃料电池”中分离鉴定出两株具有电活性的微生物新菌Fontibacter ferrireducens sp. nov.和Thauera humireducens sp. nov.，为深入研究土壤胞外呼吸菌功能基因组、电子转移相关基因表达、代谢网络构建及生物信息学提供菌种资源。项目研究成果为深入理解农田有机碳矿化机理提供理论基础，为合理管理土壤有机碳库及减排温室气体提供科学依据。