26 / 2024-07-16 16:56:49

微生物固氮与铁还原的隐秘耦合过程与机制

      微生物介导的固氮与铁还原过程在环境中广泛存在，但二者之间是否协同作用，以及其作用机制还并不清楚。本研究采用15N2同位素示踪并结合（宏）基因组/转录组等技术，通过野外样品表征以及室内培养实验验证与分析，发现微生物固氮与铁还原隐秘耦合过程在不同生境中广泛存在。研究结果表明，微生物固氮耦合铁还原过程可在种内发生，来自不同生境的固氮菌型铁还原菌Klebsiella、Paraclostridium和Geobacter sulfurreducens可通过固氮作用获得氮源，提高自身的生长/代谢和铁还原能力，铁还原过程也可显著促进固氮活性。此外，微生物固氮和铁还原还可在种间相互促进，固氮模式菌Azospirillum humicireducens SgZ-5T可为铁还原模式菌Shewanella oneidensis MR-1提供氮源，促进其生长和铁还原速率，同时铁还原菌可促进有机质的氧化和电子传递，为固氮作用提供ATP和电子，显著提高了固氮基因表达和固氮量。通过对地下含水层、热泉、土壤和海洋样品的微宇宙培养和宏基因组分析发现，在不同生境中均获得了同时具有固氮与铁还原基因的bins，且固氮Nif基因簇与铁还原（MtrABC和OmcS）和参与电子传递的基因显著正相关。研究通过多组学数据分析并结合培养验证，证实了微生物种内/种间介导的固氮与铁还原协同作用普遍存在，拓展了我们对氮素地球化学过程的理解。