第一作者：黄绍福

通讯作者：陈曼、周顺桂

通讯单位：福建农林大学

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c00236

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图片摘要

成果简介

近日，福建农林大学周顺桂教授/陈曼副教授团队在环境领域权威期刊Environmental Science & Technology上发表题为“Sunlight significantly enhances soil denitrification via an interfacial biophotoelectrochemical pathway”的研究论文。该文章首次证实了一种被低估的日光作用（微生物光电化学）强化土壤反硝化。微生物光电化学是指微生物利用光生电子驱动自身代谢的过程。该研究以南方红壤作为对象，证实了在日光作用下，土壤直接被光激发诱导生成微生物可利用的电子，增强土壤反硝化作用。相较于黑暗环境，光照下土壤硝酸盐的还原速度比非光照快2.6~4.7倍。同时，光照显著加速了NO2-和N2O还原成N2，表明了光照强化土壤反硝化过程。在这个过程中，由光照诱发的反硝化效应的贡献接近一半（45.4%），其中30.9%来自于光诱导产生的Fe(II)，14.5%来自于光电子。采用高通量和宏基因组分析，光照显著促进了具有铁氧化和电自养功能的Alicyclobacillus的富集。该研究首次证实了土壤中微生物光电化学作用可以强化土壤反硝化，这一作用长期被低估。同时，该研究也为自然界能够发生微生物光电营养效应提供了强有力的证据。

引言

微生物反硝化是土壤氮循环的重要组成部分。反硝化微生物通过代谢电子供体，将NO3−还原，最终通过一系列中间气态含氮产物产生分子态氮（N2）。这个过程是土壤氮流失的主要途径之一，也是大气中N2O的主要来源。由于反硝化微生物大多数属于非光营养微生物，土壤反硝化过程也被认为是一个暗态过程。因此，阳光对土壤反硝化作用的影响常被忽视。近年来，本团队证实了一种利用光生电子驱动的新型反硝化过程，即微生物光电营养反硝化（PEDeN）。由于土壤中含有大量的半导体矿物和天然有机质，在太阳光照射下能够产生光激发电子。因此，太阳光也可能通过生物光电化学途径影响土壤反硝化作用。基于此，本研究旨在证实一种被长期低估的日光作用影响土壤反硝化，并阐明生物光电化学途径对土壤微生物反硝化的影响及机理。

图文导读

（1）土壤的光电化学性质

图1显示，通过光电流的测试证明土壤具有光生电子的能力，并且在光照过程中土壤溶液中检测到的Fe(II)浓度高于黑暗时，证实阳光能够促进Fe(II)的生成

图1. 红壤光化学性质表征。（a）土壤光电流测定装置；（b）负载在ITO玻璃上的红壤的光电流时间曲线。光源：300W氙灯，配有AM1.5仿太阳光滤光片；（c）土壤中Fe(II)的来源形式；（d）光照和黑暗体系中红壤Fe(II)浓度变化

（2）光照对土壤微生物反硝化的影响

图2显示，在光/暗循环体系（LD）和持续黑暗体系（DD）中，LD中NO3−-N的还原速度更快，说明光照过程加速了NO3−-N的还原。三组循环实验中，LD的NO3−-N还原速率分别是DD的2.6、3.6和4.7倍，表明光照过程可以持续诱导电子供体的产生，加速土壤微生物反硝化。此外，这个过程还加速了NO2−-N和N2O-N向N2转化。体系中NH4+-N的生成主要是来自NO3−的DNRA过程，光照下浓度更高是因为光照下NO3−-N的还原程度更高导致。

图2 光/暗循环（LD）和持续暗处理（DD）下土壤微生物反硝化反应。光源：300 W氙灯；光强：100 mW cm-2；光/暗周期表示12 h光和12 h暗，模拟每天的光和暗周期变化；Dark表示持续的黑暗。（a）NO3--N浓度变化，（b）NO2--N浓度变化；（c）N2O-N浓度变化；（d）NH4+-N浓度变化

（3）生物光电电化学途径对NO3−还原的贡献

图3通过添加菲啰嗪和Cr(VI)用于淬灭胞外电子，以及利用生物光化学电池实验证明在光照条件下土壤反硝化的电子源来源于Fe(II)、光电子和有机碳，其贡献分别为41.8%、14.5%、43.7%，其中30.9%的Fe(II)来自光照过程产生。并且这个过程能够在氧气存在的条件下（5%和20%）发生，光照土壤NO3−-N还原速度依然比黑暗快，这表明O2不能完全竞争光诱导的Fe(II)或光电子。

图3 光照和黑暗条件下NO3-还原的电子来源。（a）淬灭剂（菲啰嗪和Cr(VI)）对NO3−-N还原的影响。反应时间为6 h，输入[NO3−-N]为~ 70 mg kg−1。不同字母表示差异显著，p < 0.05；（b）光照和黑暗条件下不同电子源对NO3−-N还原的贡献；（c）光照和黑暗条件下土壤中NO3−-N和Fe(II)浓度变化的时间曲线。输入[NO3−-N]为~ 70 mg kg−1；（d）生物光化学电池装置；（e）生物光化学电池中NO3−-N还原的时间曲线；（f）光照和黑暗条件下不同氧浓度下NO3−-N还原时间曲线。

（4）光照对微生物群落结构的影响及其可能的机制

图4显示，基于Chao1、Simpson和Equitability指数分析，与原始未经过处理的样品相比，光照和黑暗处理后的土壤（反硝化脱氮反应4天后）的Shannon-Wiener多样性显著下降，这可能是因为NO3−的加入促进了功能微生物的富集。在门水平上，经过4天的反硝化反应，微生物群落中优势门进化为Firmicutes、Proteobacteria和Acidobacteria，这3个门微生物占细菌总数的95.8%。在光照组和黑暗处理组中Firmicutes的丰度最高，在光照组占90.3%，黑暗组占88.6%。

经过统计分析，光照组（~80%）和黑暗组（85%）的细菌以铁还原细菌和铁氧化细菌为主。由于Alicyclobacillus具有铁氧化能力，因此在光照组中丰度更高。宏基因组测序技术结果显示，光照组中关于脂环酸芽孢杆菌属微生物中Alicyclobacillus contaminans、Alicyclobacillus pomorum、Alicyclobacillus acidoterrestris、Alicyclobacillus macrosporangiidus和Alicyclobacillus ferrooxydans的丰度在光照处理中要高于黑暗处理。其中Alicyclobacillus contaminans，Alicyclobacillus pomorum和Alicyclobacillus ferrooxydans已经被证明能够进行自养代谢，并依赖于Fe(II)的氧化。

图5所示，提出了阳光加速界面微生物反硝化的可能机理。土壤微生物反硝化可以分为三个途径，包括（i）Fe(II)作为电子供体；（ii）光电子作为电子供体；（iii）有机物质作为电子供体。

图4 微生物群落结构分析。（a）基于Chao1指数、Simpson指数和equitability指数的Alpha多样性分析（每组n = 3，组间总体差的p值计算是基于Kruskal-Wallis非参数检验）；（b）L和D处理中以OUT数据为基础的细菌群落差异的总体分布格局（基于bray_curtis PCoA结果）；（c）Raw、L和D处理后门水平和属水平的土壤微生物多样性变化；（d）土壤中典型的铁还原菌属和铁氧化菌属（基于微生物前30个属的分析)；（e）微生物群落结构种水平的热图（基于宏基因组测序结果）

图5 阳光下水/土界面微生物反硝化的三个途径。（i）Fe(II)作为电子供体；（ii）光电子作为电子供体；（iii）有机物质作为电子供体

小结

本研究揭示了一种被长期低估的日光作用（微生物光电化学反硝化）强化土壤微生物反硝化。土壤中非光合微生物可以直接利用光敏物质产生的光电子驱动微生物反硝化，也可以通过利用光还原产的Fe(II)间接利用光能驱动微生物反硝化。此外，通过使用不同的土壤进行实验，研究结果发现，在以黑土和灰漠土体系中也得到类似的结果，表明日光加速土壤微生物反硝化的现象在自然界中普遍存在。本研究的结果将有助于更好地理解自然界微生物反硝化的机理，同时也为土壤中存在非光合微生物利用太阳光能量的光电营养效应提供了确凿的证据。

本研究得到了国家杰出青年科学基金（41925028）、国家自然科学基金（42077158）、福建省杰出青年科学基金（2021J01310962）的资助。

作者简介

第一作者：黄绍福，博士，毕业于福建农林大学资源与环境学院。主要从事环境微生物光电化学效应与机制研究。博士期间，主持福建农林大学优博基金一项，参与国家自然科学基金（2项）。目前已在ES&T、中国科学：技术科学等国内外环境领域高水平期刊发表学术论文12篇，其中1作/共1文章6篇（2篇ES&T）。

通讯作者：陈曼，博士，副教授，博士生导师，福建省杰出青年基金获得者。主要从事微生物光电化学与反硝化效应。目前，主持国家自然科学基金（2项）、重点研发计划子课题、福建省自然科学基金（2项）及校级人才项目共6项。近年来以第一/通讯作者在ES&T（5篇）、Water Res、《中国科学：技术科学》等环境领域高水平期刊发表学术文章28篇，申请发明专利4项。

通讯作者：周顺桂，福建农林大学特聘教授（二级），国家杰青、国家万人计划创新领军人才。主要从事有机固体废物资源化利用、土壤生物电化学方面的基础理论与运用研究。主持国家自然科学基金9项（包括杰青、优青、重大研究计划、联合基金重点、面上及青年项目）、国家863、国家科技支撑计划课题、国家重点研发计划课题等重要科研项目30余项。以第一/通讯作者发表SCI论文150余篇（其中，Science Advances、Nature communications，ISME Journal、Angew. Chem.、Nano energy、ES&T、Water Research等IF5-years>8.0论文80余篇），SCI论文他引超10000次，个人H 指数64，入选“中国高被引学者”榜单。获授权国家发明专利50余件，美国发明专利2件。曾获中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、大北农科技奖、国家科技进步二等奖（排名第五）、广东省科学技术一等奖（排名第一）、福建省自然科学一等奖（排名第一）、广东省自然科学一等奖（排名第二）、广东省专利优秀奖（排名第一）、中国产学研合作创新成果奖一等奖（第一）、福建运盛青年科技奖、福建紫金科技创新奖、国务院政府特殊津贴。