英文原题：Spatiotemporal patterns and mechanisms of periphytic biofilm-induced Fe accumulation in paddy fields
通讯作者：吴永红；孙朋飞，南京土壤研究所
作者：Jing Tao, Guanghui Liu, Ying Xu, Junzhuo Liu, Peifei Sun and Yonghong Wu
近日，南京土壤研究所吴永红研究员应邀在ASC ES&T Engineering 上发表了稻田周丛生物对铁累积的相关研究，通过全国不同水稻田结合水稻生长周期对周丛生物进行采集，在时空尺度下揭示稻田周丛生物对铁富集的变化趋势和机制，为设计利用周丛生物减少稻田铁毒害提供了新思路。
铁作为一种生物必须微量元素，在叶绿体蛋白质形成、叶绿素Ⅱ生物合成和电子传递等代谢过程中起到关键作用。然而，铁的过度吸收会引发生物代谢中的铁毒性，包括氧化应激和营养失衡。铁中毒指作物根部对Fe(Ⅱ) 的过量吸收，随着木质部转运到叶片，导致作物营养失衡，抑制生长，延缓发育，最终显著降低作物产量。同时，过量的铁能引起田面水的变色，变味，最终对人类的健康造成影响。因此急需开发一种工程措施来减轻稻田中铁过量所导致 的不利现象，减少水稻铁中毒的严峻现象。经过吴永红研究员团队的多年研究发现，稻田周丛生物作为稻田水土界面之间完全自然且无害的第三种相界面，能够利用自身独特的理化和生物特性，对环境中过量的氮和磷起到生物富集和生物拦截的作用，因此作为稻田表面的生物膜，周丛生物在稻田铁的含量和转化过程中又扮演了什么样的角色？
为了解决稻田铁过剩的问题，南京土壤研究所吴永红研究员团队从全国的空间尺度出发，依据不同稻田土壤类型，确定了全国19个空间采样位点，同时根据水稻生长周期，确定时间尺度的采样点，以发现周丛生物对铁作用的空间变化规律，达到利用周丛生物配合作物生长的研究目的（图1）。
图1. 采样位点的时空分布
从空间尺度对稻田土壤和周丛生物中铁含量进行分析发现（图2），周丛生物中的铁含量约为12.40~50.60 g/kg，与土壤中铁含量相差无几，同时周丛生物铁含量与土壤铁含量呈现出显著的正相关。从全国的周丛生物铁含量分布规律来看，随着各采样点地理距离的增加，周丛生物和土壤中的铁含量浓度变化相似且不显著，表明周丛生物和土壤铁含量不受距离的影响，说明在空间尺度上，周丛生物铁含量与土壤铁含量具有一定的同步性。
图2. 铁含量的空间变化
从时间尺度上对周丛生物和铁含量进行分析发现（图3），周丛生物中铁含量也出现显著变化，大约为18.24~56.23 g/kg。周丛生物与土壤铁含量呈现较强的正向线性相关性，这也进一步表明了在时间尺度上，周丛生物与土壤铁含量的同步性。同时我们发现，随着周丛生物生物量的增加，即周丛生物的增加 ，与土壤铁含量呈现显著的负相关。综上，时空尺度都同步揭示了周丛生物对铁的富集作用。这表明周丛生物可以作为很有前景的环境工程研究对象来拦截稻田土壤中铁的迁移和流失。
图3. 铁含量的时间变化
结合周丛生物组成进一步探究其对铁的富集作用，发现不论是空间还是时间尺度下，周丛生物的胞外聚合物（EPS）对铁含量呈显著正向影响（图4）。而周丛生物EPS的分泌与土壤特性有一定的相关性。同时，周丛生物中的生物在空间和时间尺度上对铁富集呈现出相反的作用。
图4. 生物因子和非生物因子对周丛生物铁富集的影响
在确定了EPS作为周丛生物铁富集的主要影响因子后，进一步细化分析促进EPS产生的环境因子，进而更好的调控周丛生物铁富集功能（图5）。我们发现EPS的产生与细菌相关，同时还与TOC、TN，即土壤肥力（C/N）有关。随后，我们分析了EPS自身组分并与铁含量变化进行拟合发现，EPS中的多糖与铁含量表现了一定的正相关，这说明多糖组分在EPS铁积累过程中起着更为主导性的作用。
图5. 生物和非生物因素与EPS中铁积累的关系
最后，我们计算了EPS对周丛生物铁富集的贡献占比发现，EPS对铁富集的贡献占比为30~46%，表明EPS可能占整个周丛生物铁积累的近一半，是周丛生物中生物铁富集的1.5-2.0倍。
综上所述，周丛生物在稻田能够与周围环境同步，能够起到富集铁，减少土壤中过量铁的作用，且有受人为的调控（增多或者减少），几乎不存在污染等优势，具有良好的工程应用前景。
相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，博士研究生陶静为文章的第一作者，南京土壤研究所吴永红研究员、和孙朋飞副研究员为共同通讯作者。
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