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铁氧化物是土壤的主要矿物,其存在形态多样,如无定形的氢氧化铁和水铁矿、高结晶度的针铁矿、赤铁矿和磁铁矿等。已有研究表明不同结晶度和导电性的铁氧化物对厌氧环境中微生物产甲烷活动具有不同的影响效应:比如易微生物还原的水铁矿强烈抑制产甲烷过程,而磁铁矿或赤铁矿显著促进产甲烷过程。铁氧化物反应活性高,在自然环境中随着时间的推移,铁氧化物晶型转变的总体规律是形成热力学上更稳定的晶质态铁氧化物(即非晶态向晶态方向转化),这就意味着土壤铁氧化物成矿过程带来的矿物性质的改变会影响其与产甲烷过程之间的关系,目前有关产甲烷过程对水铁矿成矿过程的响应研究未见报道。本论文以华南红壤水稻土为研究对象,探讨水铁矿成矿过程对有机物互营产甲烷的影响及微生物机制,通过磷酸盐的浓度调控水铁矿不同成矿途径,通过分析产甲烷速率及微生物群落结构,了解不同水铁矿生物成矿过程对厌氧土壤产甲烷活动的影响,阐明不同水铁矿成矿产物与产甲烷过程以及产甲烷微生物之间的关系;同时以土壤中典型的铁还原菌(Geobacter sulfurreducens/Geobacter metallireducens)和产甲烷菌(Methanosarcina barkeri)为研究对象,建立共培养体系研究水铁矿微生物成矿过程对产甲烷过程的影响机制,为揭示不同成矿产物与产甲烷过程之间的联系提供直接证据。论文主要结论如下:1、磷酸盐是影响水铁矿生物成矿的重要环境因素之一,当厌氧富集体系中有磷酸盐时水铁矿生物成矿产物为蓝铁矿,而体系中无磷酸盐时水铁矿生物成矿产物为磁铁矿。具有导电性的磁铁矿对乙酸产甲烷过程和丙酸产甲烷过程都有明显促进效应,与无铁矿的对照处理相比,产甲烷速率提高27.4%(乙酸)和25.8%(丙酸),这种促进效应是因为磁铁矿作为电子导体激发了乙酸互营氧化菌(Clostridiaceae)/丙酸互营氧化菌(Anaerolineaceae)与产甲烷菌(Methanosarcinaceae)之间的直接电子传递,促进了有机质互营氧化产甲烷过程。而不具导电性的成矿产物蓝铁矿对乙酸产甲烷过程和丙酸产甲烷过程都没有影响。2、纯菌共培养实验结果与稻田土壤厌氧培养实验结果一致,在无磷酸盐体系中,Geobacter sulfurreducens以乙酸为电子供体还原水铁矿的二次成矿产物为纳米磁铁矿,Geobacter metallireducens以乙醇为电子供体还原水铁矿的二次成矿产物也为磁铁矿。而在含磷酸盐体系中,Geobacter还原水铁矿的二次成矿产物都为蓝铁矿。导电性磁铁矿显著促进了Geobacter sulfurreducens/Methanosarcina barkeri共培养体系中乙酸互营氧化产甲烷过程,以及Geobacter metallireducens/Methanosarcina barkeri共培养体系中乙醇互营氧化产甲烷过程。我们认为微生物纳米磁铁矿在产生过程中分散分布在Geobacter鞭毛上,并具有与细胞色素c相似的功能促进了Geobacter与Methanosarcina间的直接电子传递过程,加速互营产甲烷过程。通过在纯菌共培养体系直接添加磁铁矿,我们得到了一致的实验结果,这为磁铁矿产生和促进产甲烷过程之间的联系提供了直接证据。本论文研究结果有助我们理解铁氧化物在碳元素生物地球化学循环过程中的作用和地位,以及厌氧环境中铁元素与碳元素之间的关联性;为铁氧化物在抑制温室气体排放和促进清洁能源生产方面的实际应用提供技术支撑。