不同土地利用方式下土壤腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力分析

余 紅, 范 萍, 檀文炳, 張 穎*

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 國(guó)家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012

2.南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院， 江西 南昌 330031

土壤腐殖質(zhì)是由植物和微生物殘?bào)w分解的中間產(chǎn)物重新組合形成的有機(jī)聚合物，是土壤有機(jī)物的主要組成部分. 在厭氧條件下，溶解與固相顆粒狀的腐殖質(zhì)都可能會(huì)接受來自厭氧微生物呼吸產(chǎn)生的電子[1-2]. 腐殖質(zhì)的微生物還原過程會(huì)涉及將電子轉(zhuǎn)移到腐殖質(zhì)中的醌基團(tuán)和其他具有氧化還原活性官能團(tuán)以及腐殖質(zhì)中的絡(luò)合金屬[3-6]. 還原后的腐殖質(zhì)既可以作為厭氧微生物呼吸鏈中的電子供體[7]，又可以將電子轉(zhuǎn)移到土壤中溶解性較差的Fe(Ⅲ)氫氧化物和Fe(Ⅲ)氧化物礦物質(zhì)[1,8-9]，從而在微生物還原Fe(Ⅲ)過程中充當(dāng)電子穿梭體的角色[10]. 此外，還原后的腐殖質(zhì)還可以將電子轉(zhuǎn)移到各類有機(jī)與無機(jī)污染物中[11]，從而影響其分解和轉(zhuǎn)化，這在土壤污染修復(fù)方面具有重要意義.

當(dāng)土壤處于間歇性缺氧環(huán)境時(shí)，腐殖質(zhì)作為微生物呼吸鏈的電子受體會(huì)對(duì)其他末端電子受體的還原產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)性地抑制[12]. 由此推測(cè)，當(dāng)土壤處于間歇性曝氣環(huán)境后，被微生物還原的腐殖質(zhì)會(huì)被氧氣重新氧化，從而恢復(fù)腐殖質(zhì)在后續(xù)間歇性缺氧的土壤環(huán)境中充當(dāng)電子受體的能力，這使其他末端電子受體的還原繼續(xù)被抑制. 土壤腐殖質(zhì)電子穿梭體功能并非持續(xù)恒定，其具有一定“壽命”，目前很少有研究涉及土壤腐殖質(zhì)電子穿梭體功能的持續(xù)能力，即土壤腐殖質(zhì)的電子循環(huán)能力. 如果土壤腐殖質(zhì)的電子穿梭能力在這些間歇性缺氧和曝氣的環(huán)境中能夠保持很好的穩(wěn)定性，這對(duì)降低土壤CH4和N2O等溫室氣體的排放將起到十分重要的作用[13-14].

盡管之前有很多研究在化學(xué)或電化學(xué)的還原與氧氣重新氧化的循環(huán)周期試驗(yàn)中，證明了腐殖質(zhì)在接受電子和供給電子上具有很強(qiáng)的可逆性[4,14-15]，實(shí)際上，腐殖質(zhì)并不是通過化學(xué)或電化學(xué)的途徑獲得電子，而是通過與微生物相互作用接受電子，因此，采用化學(xué)或電化學(xué)的還原方法并不能真實(shí)反映土壤腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力. 此外，土地管理和土地利用方式影響陸地生態(tài)系統(tǒng)中天然有機(jī)物和腐殖質(zhì)的降解和轉(zhuǎn)化[16]，進(jìn)而影響土壤腐殖質(zhì)的內(nèi)在化學(xué)結(jié)構(gòu)[17-20]. 因此，不同的土地管理和土地利用方式對(duì)土壤腐殖質(zhì)電子轉(zhuǎn)移能力會(huì)產(chǎn)生重大影響[21-25]，但是否對(duì)土壤腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力產(chǎn)生影響至今仍不清楚. 為此，該研究選取水稻地、葡萄園和楊梅園的土壤，通過微生物還原和氧氣重新氧化的循環(huán)周期試驗(yàn)?zāi)M真實(shí)存在的間歇性缺氧-曝氣循環(huán)過程，分析不同土地利用方式下土壤腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力及其影響因素，以期為深入理解土壤腐殖質(zhì)的氧化還原動(dòng)力學(xué)行為與土壤有機(jī)碳循環(huán)及溫室氣體形成過程之間的關(guān)系提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于江蘇省常州市武進(jìn)農(nóng)業(yè)土壤示范基地(31°33′N～31°34′N、119°59′E～120°01′E)，主要種植水稻、葡萄和楊梅等. 該區(qū)地處北亞熱北帶向北溫南帶過渡的氣候區(qū)域，屬濕潤(rùn)季風(fēng)氣候. 氣候特征是四季分明、雨熱同步、光照充足. 年均氣溫為15.8 ℃，年均降水量為1 092 mm，全年日照總時(shí)數(shù)為 1 940 h. 區(qū)域土壤類型主要為黃棕壤和紅壤，成土過程的特點(diǎn)是強(qiáng)烈的黏化與輕微的富鋁化.

1.2 土壤腐殖質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)特征分析

1.2.1土壤樣品采集

2013年8月在研究區(qū)選擇分布面積大且具有代表性的水稻地、葡萄園和楊梅園的土壤，3種土地利用方式下施肥耕作等管理方面存在明顯差異. 每種土地利用方式下選取3個(gè)采樣點(diǎn)，采集表層(0～20 cm)土壤. 土壤樣品取回后立即進(jìn)行冷凍干燥，去除其中的植物根系殘?bào)w等雜物，保存?zhèn)溆? 土壤理化性質(zhì)見表1.

表1 試驗(yàn)土壤的理化性質(zhì)

1.2.2土壤腐殖質(zhì)的提取、純化與溶液制備

土壤腐殖質(zhì)的提取和純化：根據(jù)國(guó)際腐殖質(zhì)學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)化程序提取土壤腐殖質(zhì)的胡敏酸(HA)和富里酸(FA)[26]. 簡(jiǎn)言之，將萃取劑與樣品質(zhì)量比設(shè)為10∶1，通過溶液(0.1 mol/L NaOH水溶液和0.1 mol/L Na4P2O7的1∶1混合物)來提取土壤樣品. 將懸浮液在充入氮?dú)獾姆忾]玻璃瓶中于25 ℃下機(jī)械搖動(dòng)24 h. 每個(gè)樣品重復(fù)提取3次. 用6 mol/L HCl將提取物酸化至pH為1，然后5 000 r/min下離心提取物，提取的腐殖質(zhì)會(huì)分離成HA(沉淀)和FA(上清液)兩部分. 將HA懸浮在0.1 mol/L HCl和0.3 mol/L HF的溶液中以除去礦物雜質(zhì)并透析直到氯離子被去除. 將FA用吸附樹脂XAD-8純化，并使堿性洗脫液通過陽離子交換樹脂.

腐殖質(zhì)溶液的配置：將HA和FA干樣加到去離子水中，用0.1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至8，使HA和FA充分溶解后，用0.1 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)pH至6，再用0.45 μm纖維素濾膜過濾，最后稀釋至100 mg/L胡敏酸碳或富里酸碳的溶液，備用.

1.2.3異化鐵還原菌微生物富集培養(yǎng)試驗(yàn)

采用兩種異化鐵還原菌ShewanellaoneidensisMR-1(S.oneidensisMR-1)與Shewanellaputrefaciens200(S.putrefaciens200)，將純種微生物接種至100 mL的微生物培養(yǎng)基(胰蛋白胨10 g/L，酵母膏5 g/L，NaCl 10 g/L，pH=7.2)中，置于25 ℃振蕩培養(yǎng)箱培養(yǎng)12 h，得到108cells/mL的菌液濃度[27].

1.3 腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體的循環(huán)周期試驗(yàn)

根據(jù)已有試驗(yàn)方案[28]開展循環(huán)周期試驗(yàn). 采用異化鐵還原菌微生物(S.oneidensisMR-1或S.putrefaciens200)對(duì)腐殖質(zhì)溶液(40 mL)進(jìn)行接種，加入5 mmol/L的乳酸鈉溶液作為微生物的碳源及無機(jī)鹽營(yíng)養(yǎng)液，充入N2保持厭氧狀態(tài)，25 ℃振蕩培養(yǎng)箱培養(yǎng)24～36 h后測(cè)定腐殖質(zhì)的微生物還原容量. 具體步驟：取培養(yǎng)后的腐殖質(zhì)溶液5 mL，加入到5 mL 5 mmol/L的檸檬酸鐵溶液〔(Fe(Ⅲ)Cit)〕反應(yīng)12 h以充分氧化腐殖質(zhì)，過濾后利用鄰菲羅啉法測(cè)定濾液中還原生成的Fe(Ⅱ)含量，從而得出腐殖質(zhì)的第1次循環(huán)周期微生物還原容量. 向剩余腐殖質(zhì)溶液中充入高純O2，以重新氧化被微生物還原后的腐殖質(zhì)，然后重復(fù)第1次循環(huán)周期微生物還原容量的測(cè)定步驟，測(cè)定腐殖質(zhì)的第2次循環(huán)周期微生物還原容量. 按照同樣的方法測(cè)定腐殖質(zhì)的第3次循環(huán)周期微生物還原容量. 該研究中腐殖質(zhì)的微生物還原容量用來表征電子供給能力(EDC)，第3次與第1次循環(huán)周期EDC的比值可用于評(píng)估腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力(ESC)，采用式(1)計(jì)算.

(1)

式中：ESC為腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力，%；EDCRed1、EDCRed3分別為第1次、第3次循環(huán)周期的電子供給能力，mmol/mol(以單位碳的電子當(dāng)量計(jì)).

1.4 熒光光譜分析及其平行因子分析

熒光光譜采用熒光光度計(jì)〔Hitachi F-7000型，日立(中國(guó))有限公司〕進(jìn)行測(cè)定. 激發(fā)光源為150 W氙弧燈，光電倍增管電壓為700 V，信噪比>110，掃描速率為12 000 nm/min，激發(fā)和發(fā)射單色儀的狹縫寬度均為10 nm，響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為自動(dòng). 激發(fā)波長(zhǎng)(λEx)范圍為200～450 nm，增量為5 nm；發(fā)射波長(zhǎng)(λEm)范圍為280～550 nm，增量為5 nm. 三維熒光光譜的平行因子分析是采用帶有DOMFluor工具箱的MATLAB R2100a軟件進(jìn)行模擬，具體程序編寫與操作步驟見文獻(xiàn)[29]. 對(duì)于微生物厭氧還原后的HA和FA溶液樣品，需預(yù)先進(jìn)行離心(10 000 r/min)以去除溶液中微生物，并采用元素分析儀(Multi N/C 2100型，德國(guó)耶拿分析儀器股份公司)測(cè)定TOC濃度，調(diào)節(jié)所有樣品的TOC濃度一致以保證熒光強(qiáng)度不受HA或FA濃度的影響，然后再進(jìn)行熒光光譜分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤腐殖質(zhì)電子供給能力在微生物還原-O2氧化循環(huán)周期中的波動(dòng)特征

該研究通過定量分析土壤HA和FA在3個(gè)S.oneidensisMR-1/S.putrefaciens200厭氧還原-O2氧化循環(huán)周期中EDC的變化特征來分析土壤腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力，結(jié)果如圖1所示. 從圖1可以看出，不管是HA還是FA，二者的電子供給能力在各循環(huán)周期中均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，在經(jīng)過第1次48 h微生物厭氧還原后其電子供給能力顯著提高，而當(dāng)利用O2對(duì)還原的樣品進(jìn)行第1次氧化后其電子供給能力呈降低趨勢(shì)，這種波動(dòng)特征在第2次和第3次微生物厭氧還原-O2氧化循環(huán)周期中也得到了很好的體現(xiàn)，說明土壤HA和FA在微生物與電子受體〔Fe(Ⅲ)Cit〕之間起到了電子穿梭體的作用，且這種作用具有一定的持續(xù)性. HA和FA的電子穿梭體功能與充電電池相類似，被微生物厭氧還原后的狀態(tài)相當(dāng)于電池的充電狀態(tài)，而被O2重新氧化后的狀態(tài)則相當(dāng)于電池的放電狀態(tài)〔見圖1(a)〕. 充電電池經(jīng)過多次充電放電之后其最大充電量就無法達(dá)到原來的水平，與之類似，HA和FA經(jīng)過多次還原氧化之后其潛在的電子供給能力也會(huì)有所降低.

注：EAC為電子接受能力，EEC電子轉(zhuǎn)移量. SD、PT和YM分別為水稻地、葡萄園和楊梅園. Original表示初始狀態(tài)，Red 1、Red 2和Red 3分別表示第1次、第2次和第3次還原，Ox 1和Ox 2分別表示第1次和第2次氧化. MR-1+N2、200+N2和N2分別表示S. oneidensis MR-1、S. putrefaciens 200和無菌體系. 下同.

微生物厭氧還原后HA和FA的電子供給能力隨循環(huán)周期呈逐漸降低的趨勢(shì)，說明HA和FA作為電子穿梭體的功能會(huì)呈逐漸下降趨勢(shì). 然而也有研究表明，評(píng)判這種電子供給能力的大小還需要考慮提供電子給微生物的乳酸鹽的豐富程度[30]，這就需要在循環(huán)周期的后期及時(shí)補(bǔ)充乳酸鹽，以保證微生物在代謝過程中有持續(xù)的電子來源. 同時(shí)測(cè)定微生物厭氧還原后HA和FA的電子接受能力(EAC)，以更好地判斷HA和FA作為電子穿梭體的持續(xù)能力. 如果腐殖質(zhì)的電子供給能力和電子接受能力的總和在整個(gè)循環(huán)周期中都沒有產(chǎn)生明顯波動(dòng)，就可以斷定HA和FA作為電子穿梭體的功能具有可持續(xù)性，因?yàn)楦迟|(zhì)電子供給能力與電子接受能力的總和是由腐殖質(zhì)中具有氧化還原活性的官能團(tuán)水平所決定的. Klüpfel等[12]研究發(fā)現(xiàn)，HA和FA從微生物厭氧還原到O2重新氧化的過程，氧化還原電位發(fā)生了較大變化，但就單一比較微生物厭氧還原后或O2重新氧化后的HA和FA的氧化還原電位，不同樣品之間差異不大，均集中在一個(gè)很窄的范圍內(nèi)，說明HA和FA的微生物厭氧還原過程是一個(gè)由乳酸鹽驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過程.

該研究在微生物厭氧還原-O2氧化的循環(huán)周期中對(duì)HA和FA提純后進(jìn)行三維熒光光譜分析，并采用平行因子分析法識(shí)別出HA[25]和FA中的4個(gè)熒光組分(見圖2)，其中組分C1、C2和C3為類胡敏酸或類富里酸組分，C4為類蛋白物質(zhì). 基于上述4個(gè)熒光組分計(jì)算得到類胡敏酸和類富里酸組分(C1、C2和C3)占全熒光組分的百分比，結(jié)果如圖3所示. 從圖3可以看出，除極個(gè)別樣品外，大部分樣品的HA和FA氧化還原官能團(tuán)含量在整個(gè)循環(huán)周期中沒有發(fā)生顯著變化，表明被微生物厭氧還原后HA和FA的電子供給能力隨循環(huán)周期的進(jìn)行呈逐漸降低的趨勢(shì)與腐殖質(zhì)氧化還原官能團(tuán)的變化無關(guān)，而可能與乳酸鹽被逐漸消耗導(dǎo)致后期供應(yīng)不足有關(guān)，這也間接地為HA和FA作為電子穿梭體具有較好的可持續(xù)性提供了有力證據(jù).

圖2 土壤FA中平行因子分析鑒定出的4個(gè)熒光組分

圖3 微生物體系下HA/FA中類胡敏酸和類富里酸熒光組分(C1、C2和C3)在全熒光組分中的占比在3個(gè)連續(xù)無氧-有氧循環(huán)周期中的變化

在微生物還原-O2氧化的循環(huán)周期中，HA和FA初始的電子供給能力高于經(jīng)過O2重新氧化后的電子供給能力〔見圖1(c)(e)(g)(h)〕，表明初始的HA和FA沒有被充分氧化，仍保存有一定的本底還原容量，也表明空氣對(duì)HA和FA的氧化不如純O2對(duì)HA和FA的氧化那么徹底. 由此可見，HA和FA的潛在電子供給能力需要經(jīng)過純O2的徹底氧化才可以得到體現(xiàn). 3次微生物厭氧還原后HA和FA的電子供給能力在不同樣品之間表現(xiàn)出較大波動(dòng)，而在兩次O2重新氧化后HA和FA的電子供給能力在不同樣品之間卻比較集中(見圖1)，這也進(jìn)一步說明了從微生物厭氧還原到O2重新氧化的過程中HA和FA的電子得到了徹底釋放. 另外，還有一種可能存在的機(jī)制是，即使HA和FA沒有被O2徹底氧化，但由于其中氧化還原活性官能團(tuán)的失效而導(dǎo)致無法釋放電子，這在以Fe(Ⅲ)Cit為電子受體時(shí)的情況中也是如此.

2.2 兩種微生物體系下土壤腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體持續(xù)能力的比較

在S.oneidensisMR-1和S.putrefaciens200兩種微生物體系下，HA和FA的電子供給能力在整個(gè)循環(huán)周期中呈規(guī)律性的變化特征，經(jīng)微生物厭氧還原后電子供給能力增加，而經(jīng)O2重新氧化后又恢復(fù)至初始水平(見圖1)，表明兩種微生物都可以很好地在這種間歇式的缺氧和曝氣的環(huán)境中生存. HA的電子供給能力在S.oneidensisMR-1和S.putrefaciens200兩種微生物體系下沒有明顯差異，而楊梅園土壤中FA在第2次和第3次微生物厭氧還原后的電子供給能力表現(xiàn)為S.oneidensisMR-1體系顯著高于S.putrefaciens200體系(P<0.05)(見圖4)，表明在S.oneidensisMR-1體系下腐殖質(zhì)具有更強(qiáng)的電子穿梭體功能. 盡管S.oneidensisMR-1和S.putrefaciens200都能適應(yīng)兼氣性環(huán)境，但在土壤、濕地、海洋與湖泊沉積物等環(huán)境中S.oneidensisMR-1比S.putrefaciens200具有更廣泛的分布[31-33]，表明S.oneidensisMR-1在間歇性缺氧和曝氣的環(huán)境中具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力和生存策略. 該研究中S.oneidensisMR-1和S.putrefaciens200都是在相同濃度的乳酸鹽條件下進(jìn)行，但S.oneidensisMR-1可能對(duì)碳源乳酸鹽具有更高的利用效率，導(dǎo)致其體系下腐殖質(zhì)表現(xiàn)出更高的電子穿梭體功能.S.putrefaciens200可能具有較低的乳酸鹽利用效率，導(dǎo)致其將腐殖質(zhì)作為新陳代謝的碳源，這可能使HA和FA中部分氧化還原活性官能團(tuán)失效，進(jìn)而導(dǎo)致腐殖質(zhì)作為電子穿梭體的功能減弱.

注： 不同小寫字母表示HA或FA的電子供給能力在S. oneidensis MR-1和S. putrefaciens 200微生物體系下差異顯著(P<0.05).

盡管S.oneidensisMR-1和S.putrefaciens200對(duì)還原后HA和FA的電子供給能力會(huì)產(chǎn)生不同的影響機(jī)制，但還原后HA和FA的電子供給能力隨循環(huán)周期進(jìn)行所產(chǎn)生的降幅在S.oneidensisMR-1和S.putrefaciens200兩種微生物體系下并沒有明顯差異，表明兩種微生物與土壤腐殖質(zhì)之間的電子傳遞機(jī)制是相同的. 由于納米導(dǎo)線機(jī)制通常是在微生物無法接觸到電子受體的情況下才被誘導(dǎo)產(chǎn)生[34-35]，但該研究中采用的電子受體HA和FA都是溶解性的，與微生物具有良好的接觸機(jī)會(huì)，因此，S.oneidensisMR-1和S.putrefaciens200兩種微生物可能主要是通過直接電子傳遞的機(jī)制將細(xì)胞內(nèi)代謝產(chǎn)生的電子傳遞給電子受體HA和FA. 間歇性的曝氣會(huì)對(duì)微生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，但S.oneidensisMR-1和S.putrefaciens200兩種微生物之間直接電子傳遞機(jī)制的一致性卻沒有發(fā)生改變，說明兩種微生物在直接電子傳遞機(jī)制上可能是由相同或同源的外膜蛋白在起作用，這種外膜蛋白主要由OmcA和MtrC構(gòu)成[36].

2.3 HA和FA作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力的比較

由表2可知，HA初始的電子供給能力強(qiáng)于FA，說明在空氣條件下HA能夠保存更多有還原態(tài)的官能團(tuán). 通常情況下，HA的分子量和有機(jī)碳密度均大于FA[22,37]，HA的結(jié)構(gòu)中羧基碳的含量低于FA[38]，HA的這種特征會(huì)保證其中的氧化還原活性官能團(tuán)處于較掩蔽位置，從而使其較難被空氣所氧化. 然而，當(dāng)經(jīng)過第1次微生物厭氧還原后，所有土壤樣品中HA的電子供給能力卻明顯弱于FA(見表2)，說明FA中含有更多的能夠被微生物還原的氧化還原活性官能團(tuán)，而分子量較大的HA，盡管可能含有更多的氧化還原活性官能團(tuán)，但由于大部分處于掩蔽位置，從而使其無法被微生物所接觸，這也間接地說明了微生物與土壤腐殖質(zhì)之間的電子傳遞過程主要是通過直接電子傳遞機(jī)制. 當(dāng)經(jīng)過第2次微生物厭氧還原后，水稻地土壤樣品中HA與FA的電子供給能力無顯著差異，經(jīng)過第3次微生物厭氧還原后的水稻地樣品中HA的電子供給能力大于FA(見表2)，說明HA和FA作為電子穿梭體的持續(xù)能力存在差異，其中HA的持續(xù)能力強(qiáng)于FA.

表2 HA與FA經(jīng)微生物厭氧還原后電子供給能力的比較

進(jìn)一步對(duì)比分析每次經(jīng)過微生物厭氧還原后HA和FA電子供給能力變化幅度的差異，結(jié)果如表3所示. 由表3可知，F(xiàn)A經(jīng)過第1次微生物厭氧還原(Red 1)后的電子供給能力與初始(Original)電子供給能力的比值(EDCRed1/EDCOrig)大于HA，但FA的EDCRed2/EDCRed1和EDCRed3/EDCRed1(即ESC)均小于HA，說明經(jīng)過多次微生物厭氧還原后，HA作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力明顯強(qiáng)于FA. 這種現(xiàn)象說明FA的結(jié)構(gòu)更不穩(wěn)定，在電子穿梭過程中更容易失效. 實(shí)際上，盡管FA的氧化度較高，但其在缺氧和溶液體系中較為穩(wěn)定，HA則相反. 假設(shè)HA和FA電子供給能力的降低是由乳酸鹽逐漸被消耗所引起的，說明微生物還原FA比還原HA需要更多的乳酸鹽，但無論如何，在乳酸鹽-微生物-土壤腐殖質(zhì)體系下，HA作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力明顯強(qiáng)于FA. 在真實(shí)土壤環(huán)境中，微生物的碳源盡管被逐漸消耗，但也會(huì)有新碳源的不斷輸入，從而保證了在微生物生長(zhǎng)周期內(nèi)碳源會(huì)處于一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)[37]，這在一定程度上可能會(huì)削弱FA和HA作為電子穿梭體的持續(xù)能力的差異.

表3 不同微生物體系下厭氧還原后HA與FA電子供給能力相對(duì)變化幅度的比較

不同土壤環(huán)境條件下HA和FA的形成順序也存在差異[36,39]，從利用土壤腐殖質(zhì)作為電子穿梭體來促進(jìn)污染物降解轉(zhuǎn)化的角度來說，可通過一定的環(huán)境調(diào)控措施形成HA，實(shí)現(xiàn)土壤污染物的降解轉(zhuǎn)化. 然而，目前關(guān)于土壤腐殖質(zhì)形成的機(jī)制仍不甚清晰，存在很多不同的土壤腐殖質(zhì)形成學(xué)說，不同學(xué)說對(duì)HA和FA形成的順序甚至持對(duì)立觀點(diǎn)[40]，因此，弄清土壤腐殖質(zhì)的形成機(jī)制是理解腐殖質(zhì)環(huán)境效應(yīng)的前提.

2.4 不同土地利用方式土壤腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體持續(xù)能力的比較

不同土地利用方式之間，土壤中HA初始電子供給能力的波動(dòng)比較大，而FA初始電子供給能力的波動(dòng)則相對(duì)較為穩(wěn)定(見圖1). 水稻地和果園(葡萄園和楊梅園)土壤具有相同的成土過程，但前者HA和FA的初始電子供給能力明顯小于后者(見圖1和表2)，且楊梅園土壤中HA初始電子供給能力最高，而葡萄園土壤中FA初始電子供給能力最高，表明土地利用方式對(duì)土壤HA和FA的初始電子供給能力具有顯著影響.

當(dāng)經(jīng)過第1次微生物厭氧還原后，水稻地、葡萄園和楊梅園土壤之間HA的電子供給能力差異不大，而水稻地土壤中FA的電子供給能力明顯小于葡萄園和楊梅園土壤FA的電子供給能力；經(jīng)過第2次和第3次微生物厭氧還原后，三者表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，可能是由于負(fù)載在FA表面的氧化還原活性官能團(tuán)含量受控于土壤成土過程和用地類型.

進(jìn)一步對(duì)比分析每次經(jīng)過微生物厭氧還原后不同土地利用方式下土壤中HA和FA電子供給能力變化幅度的差異，由表3可知，S.oneidensisMR-1體系下，水稻地和葡萄園土壤中HA經(jīng)第1次微生物厭氧還原后其EDCRed1/EDCOrig明顯高于楊梅園，而水稻地和楊梅園土壤中FA的EDCRed1/EDCOrig明顯高于葡萄園；水稻地土壤中HA和FA經(jīng)過第2次微生物厭氧還原后EDCRed2/EDCRed1顯著高于葡萄園和楊梅園；而HA或FA經(jīng)過第3次微生物厭氧還原后EDCRed3/EDCRed1(電子穿梭體的持續(xù)能力)在水稻地、葡萄園和楊梅園之間無顯著差異.S.putrefaciens200體系下，第1次和第2次微生物還原后的EDCRed1/EDCOrig和EDCRed2/EDCRed1表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì). 但是，第3次微生物還原后電子穿梭體的持續(xù)能力在3種土地利用方式中表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，HA作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力表現(xiàn)為葡萄園最大，水稻地次之，楊梅園最?。籉A作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力表現(xiàn)為葡萄園最大，楊梅園次之，水稻地最小. 平均而言，水稻地、葡萄園和楊梅園土壤中HA作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力分別為75.9%、80.5%和72.1%，F(xiàn)A作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力分別為58.2%、62.2%和62.9%，不同土地利用方式下腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力有所不同. 這可能是土地利用方式、耕作管理方式和土壤理化性質(zhì)的不同，引起土壤腐殖質(zhì)的組成、轉(zhuǎn)化和分解過程不同[21]，進(jìn)而導(dǎo)致不同土地利用方式下土壤腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力存在差異. 此外，不同土地利用方式引起微生物電子供體碳源驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過程不同，也會(huì)導(dǎo)致土壤腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力存在差異.

3 結(jié)論

a) 土壤腐殖質(zhì)在微生物與電子受體鐵礦物間的電子傳遞過程中可以很好地充當(dāng)胞外電子穿梭體的角色，其持續(xù)能力隨微生物還原-O2氧化循環(huán)周期的變化主要由微生物電子供體碳源驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過程所控制.

b) 相對(duì)于S.putrefaciens200體系而言，S.oneidensisMR-1體系下土壤腐殖質(zhì)具有更強(qiáng)的電子穿梭體功能，但土壤腐殖質(zhì)作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力在S.oneidensisMR-1和S.putrefaciens200兩種微生物體系下并沒有明顯差異.

c) 水稻地、葡萄園和楊梅園土壤中HA作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力分別為75.9%、80.5%和72.1%，F(xiàn)A作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力分別為58.2%、62.2%和62.9%，不同土地利用方式土壤間具有顯著差異；同時(shí)，HA作為胞外電子穿梭體的持續(xù)能力明顯強(qiáng)于FA，這可能是由FA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差以及微生物在還原FA過程中電子供體碳源利用效率較低所致.