微生物Fe(Ⅲ)還原過程與磷酸鹽質量濃度的關系

周 醒，曲 東

(西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100)

微生物Fe(Ⅲ)還原過程與磷酸鹽質量濃度的關系

周 醒，曲 東

(西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100)

【目的】 探討水稻土中微生物Fe(Ⅲ)還原過程與磷酸鹽質量濃度之間的關系?！痉椒ā?以6種不同來源(吉林永吉、黑龍江東寧、天津寶坻、天津塘沽、四川邛崍和江西南昌)的水稻土為材料，對水稻土浸提液和泥漿進行厭氧培養(yǎng)試驗，向培養(yǎng)體系中添加磷酸鹽后，使土壤浸提液中磷酸鹽質量濃度分別為30.97，61.94，123.88，247.66和 371.64 mg/L，泥漿培養(yǎng)體系中最終磷含量分別為52，103，206，413和619 mg/kg，均以不添加磷酸鹽為對照，測定培養(yǎng)期間土壤浸提液和泥漿中Fe(Ⅱ)、有效磷含量的變化?！窘Y果】 在土壤浸提液培養(yǎng)試驗中，添加30.97 mg/L的磷酸鹽對微生物Fe(Ⅲ)還原過程有明顯促進作用，而高質量濃度(371.64 mg/L)磷酸鹽對Fe(Ⅲ)還原具有明顯抑制作用；采自江西南昌和四川邛崍的水稻土浸提液中Fe(Ⅲ)還原比較迅速，而采自吉林永吉和天津塘沽的土壤浸提液中Fe(Ⅲ)還原較為緩慢；采自天津寶坻和四川邛崍的土壤浸提液中Fe(Ⅲ)還原微生物對磷酸鹽質量濃度的適應范圍較大，采自江西南昌、吉林永吉、黑龍江東寧的酸性水稻土浸提液中Fe(Ⅲ)還原微生物對磷酸鹽質量濃度變化比較敏感；有效磷質量濃度在不同pH值的土樣中表現(xiàn)出不同的變化趨勢，采自江西南昌、吉林永吉、黑龍江東寧的酸性土壤浸提液體系中有效磷質量濃度沒有明顯改變，而采自天津寶坻、四川邛崍、天津塘沽的石灰性土壤浸提液體系中有效磷質量濃度在培養(yǎng)初期呈降低趨勢。在泥漿厭氧培養(yǎng)試驗中，磷酸鹽對Fe(Ⅲ)還原的影響程度與土壤浸提液的培養(yǎng)試驗相比明顯減弱，通過Fe(Ⅲ)還原特征參數(shù)可以看出，不同磷酸鹽處理間仍然存在一定的顯著性差異。在酸性水稻土中，被固持的有效磷隨Fe(Ⅲ)還原過程的進行被不斷釋放，有效磷的增加幅度與Fe(Ⅲ)還原能力的排序一致；在堿性水稻土中，加入的磷酸鹽在培養(yǎng)前期被大量固定，有效磷含量均明顯降低?！窘Y論】 厭氧環(huán)境中的微生物Fe(Ⅲ)還原過程與磷酸鹽質量濃度相互影響，高質量濃度磷酸鹽對Fe(Ⅲ)還原均具有明顯的抑制作用。磷酸鹽對Fe(Ⅲ)還原的影響與pH值有關，在酸性條件下，隨著Fe(Ⅲ)被微生物還原成Fe(Ⅱ)，被吸附的磷得以釋放，有效磷質量濃度增加；在堿性條件下，有效磷質量濃度隨Fe(Ⅲ)被還原而降低。

微生物Fe(Ⅲ)還原；磷酸鹽；水稻土；厭氧培養(yǎng)

磷是植物必需的礦質營養(yǎng)元素之一，在提高作物的產量及品質方面具有重要作用。土壤中磷營養(yǎng)的供應能力與土壤礦物組成、微生物活力及其環(huán)境因素密切相關。土壤無機磷主要與土壤中的鈣、鐵、鋁及土壤膠體結合，可形成Ca-P、Fe-P、Al-P及O-P等無機磷形態(tài)，從而使土壤磷素的有效性產生差異。石灰性土壤中產生的Ca-P是制約土壤有效磷含量的主要因素，而在大多數(shù)酸性土壤中,Fe和Al則是主要的固磷基質[1]。水稻田淹水后，由于Fe(Ⅲ)的活動，水溶性磷減少，F(xiàn)e-P和Al-P大幅增加，因此厭氧環(huán)境下微生物Fe(Ⅲ)還原對磷循環(huán)十分重要[2]。針對土壤中磷素遷移轉化機制的探討始終是土壤化學領域的研究熱點，鑒于稻田生態(tài)系統(tǒng)的特點，在研究磷素有效性的方法上應有別于旱地土壤，其中淹水土壤中氧化鐵的轉化是主要的影響因素之一。土壤中的氧化鐵可以通過還原和水解作用、表面羥基化、表面質子化及吸水、脫水過程得到活化[3]。干濕交替過程可以使土壤中結晶態(tài)氧化鐵含量減少，無定形氧化鐵含量增加，從而提高土壤對無機磷的固持能力，降低磷的有效性[4]。也有報道顯示，土壤中被鐵固定的磷素(Fe-P)在還原條件下可以通過氧化鐵的還原過程得到釋放，表明稻田的Fe(Ⅲ)還原過程與磷素轉化具有密切關系[5]。Chacon等[6]發(fā)現(xiàn)，微生物介導的Fe(Ⅲ)還原過程可以使強烈吸附在鐵氧化物表面的磷得以釋放，而還原產物氫氧化亞鐵凝膠具有更大的磷吸附容量。因此，深入探討Fe(Ⅲ)還原環(huán)境下磷素的轉化特征，對于正確評估稻田土壤的供磷能力以及磷素流失導致的環(huán)境風險具有重要的理論和實際意義。

Fe(Ⅲ)還原過程主要由微生物介導，而微生物的生長需要適宜的磷酸鹽濃度。謝天卉等[7]研究表明，厭氧環(huán)境下產氫微生物EthanoligenensharbinenseYUAN-3的生物量隨磷酸鹽濃度的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢，細胞干質量在磷濃度為4 mmol/L時達到最大。Conrad等[8]研究發(fā)現(xiàn)，磷酸鹽濃度高于20 mmol/L時會抑制乙酸營養(yǎng)型產甲烷微生物的生長，而Fe(Ⅲ)還原微生物中也包括乙酸營養(yǎng)型產甲烷微生物。目前，針對土壤磷循環(huán)的研究較多，但磷肥施入水稻土后是否會對Fe(Ⅲ)還原微生物產生毒害作用尚不明確。如果高濃度磷酸鹽抑制了Fe(Ⅲ)還原微生物的生長，將會間接削弱微生物Fe(Ⅲ)還原過程的環(huán)境效益。另外，在研究淹水土壤中鐵循環(huán)與磷素有效性關系方面，針對我國不同類型水稻土的系統(tǒng)研究相對較少。由于土壤性質的差異，其鈣、鐵及pH等固磷基質不同，對磷素轉化也會產生影響。本研究選取我國不同類型的水稻土，通過水稻土浸提液厭氧培養(yǎng)和泥漿厭氧培養(yǎng)試驗，探究發(fā)生在水稻土浸提液體系和人工模擬的淹水水稻土中微生物Fe(Ⅲ)還原過程與磷酸鹽質量濃度的關系，以期為深入認識鐵和磷之間的相互作用機理及影響因素提供必要的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試6種水稻土樣品分別采自我國不同稻區(qū)，采樣地點包括：吉林省吉林市永吉縣萬昌鎮(zhèn)朱家村(用“YJ”表示)和黑龍江省牡丹江市東寧縣三岔口鎮(zhèn)(用“DN”表示)，屬于東北早熟單季稻作帶；天津市寶坻縣王卜莊鎮(zhèn)后張司馬村(用“BD”表示)和天津市塘沽區(qū)四道橋農場(用“TG”表示)，屬于華北半濕潤單季稻作帶；四川省成都市邛崍縣回龍鎮(zhèn)柏楊村(用“QL”表示)和江西省南昌縣蓮塘鎮(zhèn)江西農科院農場(用“NC”表示)，屬于華中濕潤單季/雙季稻作帶。在水稻收獲后，采集0～20 cm土層的樣品，自然風干，磨細，過孔徑1 mm土壤篩，儲存?zhèn)溆?。供試水稻土的基本理化性質見表1 。從6種水稻土的pH值上可將其分為酸性和弱堿性2類，后者具有明顯的石灰反應。

表1 供試土壤的基本理化性質Table 1 Basic properties of the soil samples

1.2 試驗設置與方法

1.2.2 泥漿的厭氧培養(yǎng) 分別稱取不同水稻土 3.000 g若干份，置于10 mL無菌血清瓶中，分別加入2.0 mL不同質量濃度的磷酸鹽緩沖液及1.0 mL蒸餾水，以不加磷(加3.0 mL蒸餾水)為對照(CK)。試驗處理與土壤浸提液試驗對應，針對NC、YJ和BD土樣設置了5種磷酸鹽添加量處理，體系中最終磷含量分別為52(P1’)、103(P2’)、206(P3’)、413(P4’)和619(P5’)mg/kg(干土)；在DN、QL和TG 3種土壤中設置了3種磷酸鹽添加量處理，分別為103(P2’)、206(P3’)和413(P4’)mg/kg(干土)。充N2除去瓶中O2，用橡膠蓋及鋁蓋密封，30 ℃恒溫箱中暗光培養(yǎng)，定期測定體系中有效磷及Fe(Ⅱ)的質量濃度。

1.3 采樣及測定方法

1.3.1 水稻土浸提液培養(yǎng)體系中樣品采集及Fe(Ⅱ)和有效磷質量濃度的測定 用渦旋儀將樣品充分混勻，再用加樣器吸取1.0 mL樣品于盛有4.0 mL 0.5 mol/L HCl的離心管中，試驗設3個重復。將離心管置于30 ℃培養(yǎng)箱中靜置浸提24 h[11]。測定Fe(Ⅱ)質量濃度時在3 500 r/min下離心10 min，定量吸取上清液，用鄰菲啰啉分光光度法[12]測定。測定有效磷質量濃度時，用加樣器吸取1.0 mL樣品，用4.0 mL 0.025 mol/L (1/2 H2SO4)-0.05 mol/L HCl振蕩浸提5 min，鉬藍比色法測定[13]。

1.3.2 泥漿培養(yǎng)體系中樣品采集及Fe(Ⅱ)質量濃度和有效磷含量的測定 將泥漿樣品渦旋混勻，再用加樣器吸取0.4 mL泥漿于已知質量的盛有4.6 mL 0.5 mol/L HC1浸提液的離心管中，稱重以確定所采集泥漿的質量，試驗設3個重復。30 ℃靜置浸提24 h，3 500 r/min下離心10 min，定量吸取上清液測定Fe(Ⅱ)質量濃度。測定有效磷含量時，用加樣器吸取0.4 mL樣品，酸性水稻土用4.6 mL 0.025 mol/L (1/2 H2SO4)-0.05 mol/L HCl振蕩浸提5 min，石灰性土壤用4.6 mL 0.50 mol/L NaHCO3振蕩浸提30 min，鉬藍比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用描述微生物生長動力學的Logistic方程對不同處理Fe(Ⅲ)還原過程中Fe(Ⅱ)累積量和培養(yǎng)時間的關系進行擬合[14]。Logistic方程的表達式為：y=a/(1+be-c t)。式中：y為不同時間Fe(Ⅱ) 的累積量；t為培養(yǎng)時間；a、b、c均為參數(shù)，a代表Fe(Ⅲ)最大還原潛勢，即Fe(Ⅱ)最大累積量，c代表反應速率常數(shù)，通過參數(shù)可求出Fe(Ⅲ)還原最大速率Vmax(數(shù)值上等于0.25ac)及其對應的時間TVmax(數(shù)值上等于lnb/c)。使用Oringin 5.0繪圖，采用典范對應分析(Canonial correspondence analysis，CCA)[15]對供試的6個水稻土和10個環(huán)境因子進行關聯(lián)分析。CCA排序采用國際通用軟件CANOCO 4.5完成。

2 結果與分析

2.1 磷酸鹽質量濃度對水稻土浸提液厭氧培養(yǎng)過程中Fe(Ⅲ)還原的影響

磷酸鹽質量濃度對水稻土浸提液厭氧培養(yǎng)過程中Fe(Ⅲ)還原的影響見圖1。

圖1 添加不同質量濃度磷酸鹽對水稻土浸提液培養(yǎng)體系中Fe(Ⅲ)還原過程的影響

水稻土浸提液厭氧培養(yǎng)試驗的目的是探究磷酸鹽對土壤微生物混合菌群Fe(Ⅲ)還原能力的影響，與泥漿厭氧培養(yǎng)試驗相比可減弱由于土壤礦物組成差異及固相吸持作用對Fe(Ⅲ)還原和磷形態(tài)的干擾，更注重微生物因素的作用。由圖1可以看出，不同水稻土浸提液處理的Fe(Ⅲ)還原過程存在明顯差異。首先，添加不同質量濃度磷酸鹽處理對Fe(Ⅱ)生成量影響明顯，總體上表現(xiàn)為磷酸鹽對Fe(Ⅲ)還原過程具有明顯的促進作用，但磷酸鹽質量濃度過高會抑制鐵還原，NC、YJ和BD樣品中添加371.64 mg/L磷酸鹽處理(P5)的Fe(Ⅲ)還原均受到嚴重抑制。其次，來源于不同水稻土的微生物群落的鐵還原能力存在差異，并且對磷酸鹽質量濃度變化的響應也有區(qū)別。在本試驗條件下，NC和QL樣品的Fe(Ⅲ)還原比較迅速，而YJ和TG樣品則較為緩慢。BD和QL樣品對磷酸鹽質量濃度增加的適應范圍較大，而3種酸性水稻土(NC、YJ、DN)浸提液處理對磷酸鹽質量濃度變化比較敏感。另外，在不同pH土壤樣品的CK處理中，酸性水稻土樣品在培養(yǎng)后期均可檢測到較高質量濃度的Fe(Ⅱ)，而弱堿性水稻土樣品的Fe(Ⅱ)質量濃度均很低。酸性土壤中Fe-P在恢復培養(yǎng)過程中能夠釋放磷，所以在水稻土浸提液中可能帶入少量的磷，有助于鐵還原過程的進行；而石灰性水稻土中Ca-P的移動性低，不易被浸出，缺磷環(huán)境導致Fe(Ⅲ)還原過程受抑制。

2.2 水稻土浸提液厭氧培養(yǎng)體系中有效磷質量濃度的變化

不同水稻土浸提液中有效磷質量濃度隨時間的變化趨勢見圖2。

圖2 添加磷酸鹽對水稻土浸提液培養(yǎng)體系中有效磷質量濃度的影響
Fig.2 Effect of adding phosphate on available P mass concentration in the system of bacterial suspension incubation

由圖2可知，在NC、YJ和DN 3種酸性水稻土樣中，厭氧培養(yǎng)期間有效磷質量濃度變化不大，而在BD、QL和TG 3種石灰性土樣培養(yǎng)初期，有效磷質量濃度有明顯降低。究其原因，可能與石灰性土壤中鈣含量較高有關，浸提液帶入的鈣可使部分磷酸鹽被固定。特別是在TG樣品中，因其pH值最高，故鈣的固定作用也比較顯著。綜合圖1和圖2，比較有效磷質量濃度與Fe(Ⅲ)的還原程度，本試驗設置的最低磷質量濃度(30.97 mg/L)對鐵還原過程已起到明顯的促進作用，并且在培養(yǎng)過程中磷酸鹽的消耗也非常有限；而體系中維持高質量濃度磷酸鹽則會對鐵還原過程產生抑制效應。因此，培養(yǎng)過程中Fe(Ⅲ)還原速率隨磷酸鹽質量濃度增加而減緩，可能是由于吸附的磷酸鹽減少了Fe(Ⅲ)還原微生物與氧化鐵的接觸面積所致。

2.3 磷酸鹽含量對泥漿厭氧培養(yǎng)過程中Fe(Ⅲ)還原的影響

泥漿培養(yǎng)試驗中，磷酸鹽含量與Fe(Ⅲ)還原過程的關系受土壤理化性質的影響。添加不同質量濃度磷酸鹽后，6種水稻土中Fe(Ⅲ)還原特征有一定區(qū)別，F(xiàn)e(Ⅱ)最大累積量為4.434～11.006 mg/g(表2)，略高于土壤無定形氧化鐵含量，說明還有其他形態(tài)的鐵也可被微生物還原。泥漿培養(yǎng)體系中Fe(Ⅲ)還原過程對磷酸鹽質量濃度的響應與浸提液培養(yǎng)體系不同，磷酸鹽加入淹水土壤后被固相物質所吸持，對微生物Fe(Ⅲ)還原過程的影響被緩沖和削弱。

表2顯示，DN樣品Fe(Ⅲ)最大還原潛勢(a)遠高于其他水稻土，且添加磷酸鹽可使a值提高，F(xiàn)e(Ⅲ)還原能力增強；在BD樣品中，CK’和低質量濃度磷酸鹽處理(P1’和P2’)的a值明顯高于P3’、P4’及P5’處理，說明磷酸鹽質量濃度增大時其對Fe(Ⅲ)還原能力有一定的抑制；在其他土壤樣品中，添加磷酸鹽對a值的影響相對較小。NC、DN和TG樣品的Fe(Ⅲ)還原最大速率(Vmax)明顯高于其他水稻土。在BD樣品中，CK’與加磷酸鹽處理之間Vmax差異顯著(P<0.05)，磷酸鹽降低了Vmax；其他土壤樣品中添加磷酸鹽總體對Vmax影響不顯著。YJ樣品Fe(Ⅲ)還原最大速率對應的時間(TVmax)明顯多于其他水稻土；BD樣品的P5’處理TVmax與其他處理差異顯著，高質量濃度磷酸鹽推遲了Fe(Ⅲ)還原最大速率出現(xiàn)的時間；其他土壤樣品中添加磷酸鹽對TVmax影響相對較小。

表2 磷酸鹽對水稻土泥漿Fe(Ⅲ)還原過程影響的動力學擬合參數(shù)Table 2 Dynamics fitting parameters of Fe(Ⅲ) reduction process affected by phosphate in flooded paddy soils

注：同列數(shù)據(jù)后標不同大寫字母者表示差異極顯著(P<0.01)，標不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)，r為相關系數(shù)。

Note:Different capital or lowercase letters in each column mean significant difference atP<0.01 orP<0.05 level,respectively.rstands correlation coefficient.

2.4 泥漿培養(yǎng)體系中有效磷含量的變化

由圖3可知，泥漿厭氧培養(yǎng)試驗中，有效磷含量在不同pH水稻土中隨培養(yǎng)時間呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。酸性水稻土的有效磷含量在培養(yǎng)初期總體表現(xiàn)為上升趨勢，表明隨著厭氧鐵還原過程的進行，土壤中固持的磷迅速釋放。DN樣品的有效磷含量增加幅度最大(230～266 mg/kg)，其次是YJ樣品(52～116 mg/kg)，而NC樣品的有效磷含量增加幅度較小，為27～53 mg/kg；酸性水稻土有效磷含量增加幅度的排序與Fe(Ⅲ) 最大還原潛勢相一致。石灰性水稻土中，添加磷酸鹽處理的土樣有效磷含量在培養(yǎng)初期大幅下降，之后基本保持穩(wěn)定，說明添加的磷酸鹽被土壤快速固持，使磷的有效性降低。從表2和圖3可以看出，F(xiàn)e(Ⅲ)還原最大速率對應的時間TVmax均出現(xiàn)在培養(yǎng)前期，說明Fe(Ⅲ)在培養(yǎng)前期被微生物大量還原，而有效磷含量的劇烈變化也出現(xiàn)在培養(yǎng)前期，說明淹水條件下水稻土中Fe(Ⅲ)還原過程對磷的轉化存在較大影響。

2.5 水稻土Fe(Ⅲ)還原特征參數(shù)與環(huán)境因子的CCA分析

采用CCA對6個水稻土的不同處理與環(huán)境因子進行關聯(lián)分析，結果見圖4。在圖4中，土壤pH值、總有機碳(TOC)、全氮(Total N)、全磷(Total P)、全鉀(Total K)、游離鐵(Free Fe)、無定形鐵(Amor Fe)和有效磷變化量(ΔAvai P)等環(huán)境因子及鐵還原特征參數(shù)a和Vmax分別用箭頭表示，箭頭連線的長短表示不同環(huán)境因子對不同土樣生境相似度分布的貢獻大?。患^連線與排序軸夾角表示環(huán)境因子與排序軸相關性的大小，夾角越小說明關系越密切；箭頭所處的象限表示環(huán)境與排序軸之間的正負相關性。

圖3 磷酸鹽對泥漿厭氧培養(yǎng)體系中有效磷含量的影響

圖4 酸性(A)和堿性水稻土(B)中Fe(Ⅲ)還原特征參數(shù)與環(huán)境因子的二維排序結果

由CCA分析得出，酸性水稻土排序圖中前2個排序軸的特征值分別為0.028和0.005，共同解釋了排序特征的99.9%。與第1排序軸相關性較高的是a值(r為0.970)、全磷(r為0.963)和有效磷變化量(r為0.936)，說明第1排序軸從左至右反映的是酸性水稻土中微生物將Fe(Ⅲ)還原成Fe(Ⅱ)并釋放有效磷的強度增加；與第2排序軸相關系數(shù)較高的是Vmax(r為-0.945)和總有機碳(r為-0.834)，土壤中的有機碳能夠迅速轉化成Fe(Ⅲ)還原微生物易于利用的電子供體[12]，因此第2排序軸從左到右反映的是微生物利用碳源進行生理代謝過程的減弱。無定形氧化鐵與有效磷變化量的相關系數(shù)為0.977，可知隨著無定形氧化鐵被還原，土壤中固持的磷酸鹽被釋放[5,16]。

石灰性水稻土排序圖中前2個排序軸的特征值分別為0.084和0.009，共同解釋了排序特征的98.9%。與第1排序軸相關系數(shù)較高的是有效磷變化量(r為0.956)，說明第1排序軸從左至右反映的是土壤對磷酸鹽固持強度的增加；與第2排序軸相關系數(shù)較高的是總有機碳(r為0.957)、無定形氧化鐵(r為-0.955)和a值(r為-0.942)，因此第2排序軸從左到右反映的是鐵還原微生物利用碳源將無定形氧化鐵還原的生理代謝過程的減弱。無定形鐵與a值的相關系數(shù)為0.995，說明土壤中Fe(Ⅱ)累積量的增加主要是由無定形氧化鐵還原得到的，可見比表面積大的非晶體氧化鐵更容易被微生物還原[17-18]。

3 討 論

不同水稻土的微生物群落對磷酸鹽的耐受程度和對培養(yǎng)體系的適應程度不同，導致其Fe(Ⅲ)還原能力存在差異。鐵還原微生物生長需要適宜的磷濃度范圍，缺磷環(huán)境下鐵還原過程進行得很慢；在添加30.97 mg/L的磷酸鹽時，不同水稻土浸提液中Fe(Ⅱ)質量濃度明顯增加；而磷酸鹽質量濃度較高時，不同土壤浸提液中Fe(Ⅲ)還原過程明顯受到了抑制，這是由于氧化鐵表面吸附了大量的磷酸鹽，降低了微生物與氧化鐵的直接接觸，致使鐵還原減速[19]。Ivanov等[20]發(fā)現(xiàn)，在厭氧環(huán)境中同時加入Fe(OH)3懸液和Fe(Ⅲ)還原微生物會導致磷酸鹽濃度降低，而單獨加入Fe (OH)3懸液則不會改變磷酸鹽的濃度，證實了磷酸鹽的沉降是由于Fe(Ⅲ)還原微生物的活動引起的。黃敏等[21]報道，微生物能夠固持土壤中的有效磷，在生長繁殖時利用其自身溶解或礦化的一部分磷構建細胞成分，以磷酸鹽的形式轉化為微生物量磷(MB-P)。關于高質量濃度磷是否對鐵還原微生物的群落結構產生不利影響，還有待進一步研究。

本研究中，浸提液培養(yǎng)試驗采用酸性溶液提取有效磷，無定形氧化鐵能夠較好地溶解，所以被氧化鐵吸附的磷亦能夠游離出來，因此酸性水稻土浸提液中的有效磷質量濃度沒有明顯變化；而石灰性水稻土浸提液培養(yǎng)體系中，浸提液帶入的鈣離子能夠增加混價鐵氫氧化物的磷吸附容量[22]，降低有效磷質量濃度，使鐵還原對磷質量濃度的適應范圍增大。在泥漿厭氧培養(yǎng)試驗中，土壤理化性質減弱了磷酸鹽對微生物Fe(Ⅲ)還原過程的作用，一方面因為土壤本身的有效磷可以滿足微生物的生長需求，另一方面是外源磷對Fe(Ⅲ)還原的作用被土壤所緩沖，但Fe(Ⅲ)還原仍會影響磷酸鹽的轉化。水稻土中微生物厭氧降解有機質時可產生有機酸[23]，故在酸性土壤中，有機酸置換被鐵和鋁沉淀的磷酸鹽，使有效磷含量增加[1]；同時有機酸能夠促進鐵還原微生物的代謝過程，并以鐵磷作為電子受體[5]。在石灰性土壤中，有機酸具有中和碳酸鹽的作用，游離的鈣離子與磷生成磷酸鈣沉淀，并增加鐵氫氧化物對磷的吸附[22]，使得有效磷含量降低。

另外，有效磷含量在不同pH水稻土中呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，也與采取的浸提方法有關。用0.025 mol/L (1/2 H2SO4)-0.05 mol/L HCl法浸提時調試的pH較低，可使被強烈固定的Fe-P、Al-P和晶體態(tài)磷得到釋放；用0.50 mol/L NaHCO3浸提時溶液的pH值為8.5，由于碳酸根的同離子效應有利于磷酸鈣鹽的提取，活性較大的Fe-P和Al-P也可被水解釋放，但不利于晶體態(tài)磷的提取[24]。

4 結 論

厭氧環(huán)境中的微生物Fe(Ⅲ)還原過程與磷酸鹽質量濃度相互影響。磷酸鹽對微生物Fe(Ⅲ)還原過程的影響表現(xiàn)為：添加30.97 mg/L磷酸鹽可保證鐵還原微生物的需求，而高質量濃度磷酸鹽對Fe(Ⅲ)還原具有明顯的抑制作用；微生物Fe(Ⅲ)還原過程對磷酸鹽的影響與環(huán)境pH值有關，在酸性條件下，隨著Fe(Ⅲ)被微生物還原成Fe(Ⅱ)，被吸附的磷得以釋放，有效磷質量濃度增加；在堿性條件下，有效磷質量濃度隨Fe(Ⅲ)被還原而降低。

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Relationship between microbial Fe(Ⅲ) reduction process and phosphate mass concentration

ZHOU Xing,QU Dong

Z(CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 The experiment was carried out to study the relationship between microbial Fe(Ⅲ) reduction process and phosphate mass concentration.【Method】 The slurry and bacterial suspension from six paddy soils (Yongji,Jilin,Dongning,Heilongjiang,Baodi,Tianjin,Tanggu,Tianjin,Qionglai,Sichuan and Nanchang,Jiangxi) were added to different concentrations of phosphate before being incubated under anaerobic conditions.The mass concentrations of phosphate were 30.97,61.94,123.88,247.66 and 371.64 mg/L in bacterial suspension incubation,and the final phosphate contents were 52,103,206,413 and 619 mg/kg in slurry anaerobic incubation,respectively.The case without addition of phosphate was used as control (CK).The mass concentrations of Fe(Ⅱ) and available phosphorus were measured regularly during the incubation.【Result】 Adding 30.97 mg/L phosphorus had significant promoting effect on microbial Fe(Ⅲ) reduction in bacterial suspension incubation,but high mass concentrations of phosphate (371.64 mg/L) had inhibitory effect on Fe(Ⅲ) reduction.Fe(Ⅲ) was reduced fast in soils from Nanchang and Qionglai,but slowly in soils from Yongji and Tanggu.Microorganisms from Baodi and Qionglai adapted a wide range of phosphate concentration,but they were more sensitive to change of phosphate concentration in acid bacterial suspension system (Nanchang,Yongji and Dongni).The mass concentration of available phosphorus varied differently in soils with different pH:no significant change in acid bacterial suspension system,but it declined at the beginning of alkaline incubation system (Baodi,Qionglai and Tanggu).Phosphate had less influence on Fe(Ⅲ) reduction in slurry anaerobic incubation than that in bacterial suspension incubation,which was confirmed from the dynamics fitting parameters of Fe(Ⅲ) reduction.The immobilized available phosphorus was released as Fe(Ⅲ) was reduced in acid paddy soils,and the order of available phosphorus increment was consistent with the maximum Fe(Ⅱ) accumulation. In alkaline paddy soils,however,phosphate was immobilized at the beginning of incubation,and available phosphorus decreased significantly.【Conclusion】 Mutual effect between the microbial Fe(Ⅲ) reduction and phosphate existed in anaerobic environment.High concentrations of phosphate had significant inhibitory effect on Fe(Ⅲ) reduction.The effect of Fe(Ⅲ) reduction on phosphate was related to pH.As Fe(Ⅲ) was reduced to Fe(Ⅱ) by microorganisms,available phosphorus mass concentration increased with the release of adsorbed phosphate in acidic conditions.Available phosphorus mass concentration decreased as Fe(Ⅲ) was reduced in alkaline conditions.

microbial Fe(Ⅲ) reduction;phosphate;paddy soil;anaerobic incubation

時間:2015-11-11 16:16

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.12.019

2014-05-13

國家自然科學基金面上項目(41171204)

周 醒(1988-),女,黑龍江雙城人,碩士,主要從事土壤環(huán)境化學研究。 E-mail:zhouxing@nwsuaf.edu.cn

曲 東(1960-),男,河南陜縣人,教授,主要從事土壤環(huán)境化學研究。E-mail:dongqu@nwsuaf.edu.cn

S153.6

A

1671-9387(2015)12-0127-09

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20151111.1616.038.html