铁氨氧化：新型的厌氧氨氧化过程及其生态意义

钟小娟, 王亚军, 唐家桓, 张 峦, 周顺桂

(福建农林大学资源与环境学院，福建 福州 350002)

氮循环是生物圈基本的物质循环之一.大气中的氮在固氮微生物的作用下，进入土壤为动植物所利用，最终又在硝化菌、反硝化菌、厌氧氨氧化菌等微生物的参与下返回大气中.这些过程可归结为氮的固定、硝化作用、反硝化作用和氨化作用4个过程[1].人们通常认为反硝化作用是氮素返回大气的唯一途径，厌氧氨氧化也是大气中氮气来源的主要来源[2].反硝化作用和厌氧氨氧化过程只能发生在微氧环境，然而，Bartlett et al[3]和Grantz et al[4]却在厌氧环境中检测到大量氮素的损失.因此推测，除了已知的反硝化过程、厌氧氨氧化过程导致氮素损失外，必有其他的途径导致土壤中氮素的损失，其中铁氨氧化是厌氧环境中氨氧化的一个重要途径，是氮素损失的一个重要组成部分.

1 铁氨氧化的发现及其生境

1.1 铁氨氧化的发现历程

2015年刘敏团队发现潮间带湿地土壤中存在铁氨氧化过程.经估计，估计该过程导致每年11.5～18 t·km-2的氮损失，约占整个氮流失的3.1%～4.9%[9].同年，Huang et al以森林湿地为接种来源，经过6个月的培养、驯化，分离出一株酸微菌A6新菌，该菌兼具氨氧化和铁还原的功能[10].A6菌种的分离和鉴定，为铁氨氧化的研究提供了微生物基础，具有里程碑式的意义.

1.2 铁氨氧化发生的生境

热力学上可自发进行的反应，在自然界中必存在微生物驱动同样的化学反应；热力学上不能自发进行的氧化还原反应，在微生物相互作用下，也可以自发进行[10].从热力学角度分析，pH对铁氨反应影响较大.当pH大于6时，铁氨氧化的吉布斯自由能(ΔG)大于零，反应不可自发进行， Yang et al[7]和Huang et al[10]都证实了pH对铁氨氧化的重要性。然而，在实际环境中，铁氨氧化的发生并不局限于偏酸性环境，在碱性的区域同样存在铁氨氧化现象，比如潮间带区域[9]，但其机理有待探明.

研究表明，有机物的存在对厌氧氨氧化菌的生长代谢是不利的.理论上，铁氨氧化菌也属于厌氧氨氧化菌.因此，有机物的存在对铁氨氧化菌的生存不利[13].然而，美国科研团队研究发现：当无机碳的浓度从0.20 mmol·L-1提高到1.20 mmol·L-1，产物中的Fe(Ⅱ)浓度升高，其作用机制有待进一步研究[10].氧气浓度是微生物生产繁殖的主要影响因子，铁还原菌是严格厌氧菌，溶解氧对其生长代谢活性影响较大,研究表明铁氨氧化过程具有被低浓度氧气可逆性抑制特性.

表1 铁氨氧化反应生境的主要影响因子Table 1 Main influencing factor for Feammox in the environment

2 铁氨氧化的发生机制

铁氨氧化以铁作为电子受体，反应中铁的形式、氨氧化的产物对反应的发生与难易程度有较大的影响.Cle′ment et al推测铁氨氧化的方程式如下所示，其ΔG为-30.9 kJ·mol-1，反应可自发进行[5].

然而，从热力学角度分析(表2)，氨氧化产物的形式不同，导致ΔG不同，进而影响反应进行的难易程度.3种产物在热力学上都可自发进行，当产物是N2时，铁氨氧化更容易发生.

表2 铁氨氧化不同产物下的吉布斯自由能(氢氧化铁为电子受体)Table 2 Gibbs free energy produced by Feammox with different products (Fe(OH)3) as the electron acceptor

当电子受体以氧化铁的形式参与反应，氨氧化反应的产物是N2时，其ΔG是-145 kJ·mol-1.

热力学上可自发进行的反应，在自然界必然存在微生物驱动该反应.1977年，Broda从热力学上推测自然界存在微生物可以发生以下厌氧氨氧化反应(ΔG小于零)[15].

该反应的ΔG为-357 kJ·mol-1，因此，虽然在与厌氧氨氧化的竞争上铁氨氧化处于劣势，但铁氨氧化确实在地表的各种生境中存在.同时，热力学上不能自发发生的反应，在微生物互营与协同的作用下也是可以发生的.比如，在多种微生物协同作用下，原本由产氢细菌降解有机物反应(ΔG大于零)可顺利发生，从而使有机物顺利被降解[18-19].

图1 铁氨氧化胞外电子传递模型图Fig.1 Model of extracellular electron transport for Feammox

3 铁氨氧化的生态学意义

3.1 参与元素生物地球化学循环

氮循环是生物圈中基本的循环之一，影响着人类生活的方方面面.土壤中含有丰富的铁，异化Fe(Ⅲ)还原是土壤中重要的元素循环之一，并被认为是可调控其他元素的生物地球化学过程[20].研究表明，在水稻土、湿地和热带森林等土壤中发现异化Fe(Ⅲ)还原与氮元素循环之间存在联系，然而人们对稻田土壤中微生物介导的异化Fe(Ⅲ)还原与氮元素循环相耦合的过程知之甚少[21].

土壤氮素的转化过程，如厌氧反硝化、厌氧氨氧化、硝酸盐还原等都与铁循环密切相关[22-24].长期以来，Fe(Ⅲ)还原与Fe(Ⅱ)氧化被误认为是纯化学过程，主要受非生物因素控制(如pH-Eh条件).在厌氧环境中，由于缺乏氧气，亚硝酸盐的生成受阻，无法有效进行厌氧氨氧化反应.因此，理论上，铁氨氧化过程是厌氧环境中氮素被氧化的主要途径.当水稻土干旱时，土壤中Fe(Ⅲ)浓度上升；导致在淹水时，铁氨氧化过程加快，从而加剧了氮素的损失.铁氨氧化过程在氮循环中起到了重要作用，土壤中氮损失的来源及其机理需要进一步评估.这为氮的生物转化过程提供新的研究方向.

朱永官团队首次证明了稻田土壤中存在铁氨氧化过程，估算该过程造成的氮素损失约占氨肥施用量的3.9%～31.0%[8].2015年，朱永官探究了长期施氮肥对水稻土壤中异化铁还原微生物群落迁移的影响，结果表明长期施氮肥能促进土壤中Fe(Ⅲ)的还原，并导致氮素在乙酸盐同化的Fe(Ⅲ)还原微生物群的迁移过程中减少.说明水稻田施用铵态氮肥有助于铁还原氨氧化过程的进行，提高水稻田的氮素利用率[21].这些研究表明了铁氨氧化是自然界中普遍存在的现象.铁氨氧化过程偶联了氮和铁两大循环，具有重大的意义.铁氨氧化过程的发现，推动了微生物介导的铁循环、氮循环的研究(图2)，为人们深入理解铁循环及其环境效应提供新的研究方向.

该氮循环过程引自文献8图2 铁氨氧化过程参与土壤微生物介导的氮循环过程Fig.2 Feammox in the cycle of N element mediated by soil bacterial

3.2 减少温室气体排放

3.3 加深对铁还原微生物的认识

3.4 拓宽胞外电子传递研究领域

微生物呼吸作用的实质是将氧化底物过程中产生的还原性辅酶NADH2和FADH2重新氧化，产生的电子经电子载体沿呼吸链传递给末端的电子受体，并结合H+转运至细胞质膜外，得到跨膜质子动力进行合成ATP来维持细胞的生长.微生物进行呼吸时电子传递有多种途径，而胞外呼吸是近年来新发现的微生物能量代谢方式.在厌氧条件下，微生物在细胞内将有机物彻底氧化后释放电子，经细胞内呼吸链传递至细胞外的电子受体，使其还原并产生能量来维持微生物细胞生长的过程称为胞外呼吸[32].微生物进行胞外呼吸具有相当重要的应用价值，在污染物的原位修复、污水处理和对生物质能的回收利用等领域表现出重要的应用前景[33].

4 展望

铁氨氧化是氮素循环的重要生物地球化学过程，未来的研究应重点关注：(1)微生物的分离鉴定.现有的研究表明，具有铁氨氧化功能的氨氧化微生物是可以纯培养的，这为铁氨氧化的研究提供了基础以及方向.铁氨氧化微生物资源及其功能还有待进一步研究；

(2)代谢机制.迄今为止，我们对铁氨氧化的认识才刚起步，对其代谢过程的电子传递机制只是宏观的认识，但是对其微观的生物代谢过程机制是怎样？目前还是一个谜.因此，须在微生物分离纯化的基础上，结合现代生物化学与电化学分析技术等多学科的交叉，阐明铁氨氧化的代谢机制；

(3)研究手段.现有的研究手段主要是同位素标记技术，然而氮素转化过程相当复杂，氮素转化过程的中间产物多种多样；因此有必要拓展研究方法手段.比如结合DNA同位素探针技术，原位研究铁氨氧化的分布特征等技术应该成为今后研究的重点；

(4)生态效应.铁氨氧化影响元素(如氮、铁等)的地球化学循环.如何从微观尺度出发，开展铁氨氧化效应在元素生物地球化学循环中的作用、物质循环等研究，需要地球物理、地球化学、微生物学等多学科的交叉综合.

该电子传递示意图源自文献37图3 电子穿梭体促进铁氨氧化过程电子传递示意图Fig.3 Model of shuttles enhance electron transport for Feammox process

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