研究亮点
本研究采用分区培养系统对铁尾矿中AM真菌菌丝体和菌根功能进行分离，在微/纳米尺度上探究AM真菌菌丝对尾矿水稳定团聚体发展和有机质固持的作用及其机制。有助于了解AM真菌在AM生成和稳定中的机制及其在促进尾矿中生态工程土壤形成中的作用。
文章摘要
丛枝菌根真菌（AM）在稳定铁尾矿中的有机质（OM）中起着重要作用。然而，对AM真菌衍生的有机质特征和亚微米尺度上的原位有机-矿物相互作用知之甚少。本期推文中Li等人利用分室根箱设置37μm网将菌丝和根系分离，并采用包括水稳定团聚体湿筛分离、有机质组分分馏、整体/组分显微光谱分析、以及微纳尺度原位显微光谱分析等多尺度联合分析技术解析了AM真菌菌丝-有机质-矿物界面有机碳和矿物变化，探究了AM真菌促进团聚体形成和有机质固持机理。
研究结果发现，AM真菌菌丝体在尾矿中发育良好，并缠绕矿物颗粒聚集。AM真菌定殖通过有机-矿物质结合增强富氮OM稳定性。光谱分析和FTIR图谱显示，真菌衍生的脂质、蛋白质和碳水化合物与铁/硅矿物有关。此外，STXM-NEXAFS分析显示，AM真菌衍生的芳香族、脂肪族和羧基/酰胺类化合物分布不均匀，并被来自黑云母样矿物风化的含铁(II)/含铁（III）矿物捕获。
以上结果表明，AM真菌可以刺激矿物风化，并提供与矿物相关的有机物质，有助于OM稳定和团聚体的形成，这是尾矿生态工程土壤形成的关键过程。
文章提出三个科学问题：
问题1：AMF在尾矿中积累和稳定了多少OC和N？
问题2：这些AMF衍生的有机化合物及其伴生矿物质是什么？
问题3：AMF衍生的有机化合物是如何与矿物质结合的？
文章研究思路
结果分析
结果1：尾矿中AM真菌的发育有助于团聚体的形成。
接种AM真菌在根室中的定殖强度为30% ~ 60%，而未接种AM真菌的植物根系中没有AM真菌的定殖。原始尾矿中的菌丝密度和定殖强度远低于生态工程尾矿。在生态工程尾矿中，菌根和AM真菌菌丝的定殖提高了大团聚体的百分比（图2）和平均重径（MWD）值。可能是由于AM真菌菌丝体和/或AM根碎片/渗出物的功能，它们作为聚集体形成的短暂剂特别是AM真菌菌丝体可以缠结尾矿矿物颗粒形成集合体；而在原尾矿中，水稳性团聚体的分布和MWD变化不大。这可能是因为原始尾矿中AM菌根和根外菌丝体的强度仍然很低，无法引起湿筛法中团聚体分布的显著变化。
结果2： AM真菌定殖促进了尾矿中富氮有机质固持
总体而言，菌根或AM真菌菌丝的定殖都增加了原始尾矿和生态工程尾矿分离的团聚体中有机质的含量，原始尾矿和生态工程尾矿中MAOM组分的N浓度均高于POM组分（图3）。菌根或AM真菌菌丝定殖可提高原始尾矿中Ma-MAOM和Mi-MAOM组分的N浓度（图3f，h）。在生态工程尾矿中，AM真菌菌丝定殖使Mi-MAOM组分中的N浓度升高（图3h）。菌根定殖和非菌根定殖均使原尾矿和生态工程尾矿中TOC浓度升高，且AM真菌菌丝定殖使原尾矿中TN浓度高于非菌根定殖。AM真菌菌丝、菌根和非菌根定殖均可提高原尾矿团聚体中N含量，AM真菌菌丝定殖可提高生态工程尾矿团聚体中N含量。
结果3：AM真菌衍生的有机化合物与富铁矿物相关
ATR-FTIR显示，MAOM组分（Ma-MAOM和Mi-MAOM）中的有机官能团由芳香C、脂肪C、羧基C或羰基C，接种AM真菌提高了原始尾矿中Mi-MAOM组分中芳香、脂肪和羧基C的比例。BSE-SEMEDS图像显示，AM真菌菌丝体在原始尾矿和生态工程尾矿中聚集了小颗粒、不规则的富铁、硅、钾和镁矿物，形成了团聚体。基于同步辐射的傅里叶变换红外光谱成像显示团聚体切片内缠绕矿物的菌丝富含脂质、蛋白质及碳水化合物等，且表面粘附黏土矿物（图4）。芳香族和羧基也可能来自AM真菌渗出的蛋白质化合物，这些有机物被认为是在AM真菌菌丝体缠绕矿物颗粒时被吸附在矿物质上的。此外，在生态工程尾矿中，AM真菌菌丝定殖降低了Mi-MAOM组分中芳香/脂肪C的丰度，但增加了羧基C的丰度。qXRD显示，原始尾矿和生态工程尾矿的MiMAOM组分中磁铁矿含量较低，矿物主要由石英和类黑云母矿物组成，其次是铁黄铁矿、镁铁铁矿和镁铁铁矿，AM真菌菌丝定殖进一步提高了生态工程尾矿胶体组分中无定型Fe（III）矿物总比例。
结果4：亚微米尺度化学作图揭示了亚磷尾矿中有机-矿物结合机制。
基于同步辐射的STXM-NEXAFS分析进一步表征了亚微米尺度下菌丝际的有机质和矿物空间分布和形态。其中AM真菌衍生的有机基团与矿物质有关，不同ROI中的OC官能团主要由芳香基团、脂肪基团、酰胺基团和羧基组成（图5A-ii， B-ii）。菌丝际矿物主要为富含Fe/Si的硅酸盐类矿物，生态工程尾矿和原始尾矿的菌丝际样品均含有Fe（红色斑块）、Si（蓝色斑块）热点（图5A-i、B-i）和Al热点。碳的分布不均匀，呈非均质分布。大多数碳斑块似乎与小型富铁矿物有关，而不是与富硅或富铝矿物斑块有关（图5A-i， B-i）。对铁形态分析显示Fe(II)和Fe(III)矿物均可以和有机质作用，Fe（II）为主的团簇主要位于矿物斑块的中间，而Fe（III）为主的团簇通常包裹在Fe（II）矿物的边缘（图5A-iii， B-iii），证明了菌丝际驱动的云母类矿物（主要为Fe(II)）风化始于矿物表面。
总 结
本研究提供了铁矿尾矿中AM真菌-矿物-OM连续体生物地球化学过程的大量信息，对了解AM真菌在尾矿环境中原生矿物风化、团聚体形成和OM稳定中的作用具有重要意义。通过多种先进光谱分析技术表明，AM真菌衍生的有机物，富含芳烃、酰胺、羧基和脂肪族化合物，很容易与富含Fe(III)/Fe（II）的层状硅酸盐或其风化产物（即无定形铁（III）氧化物）在亚微米尺度上呈非均匀分布，这意味着它们在复杂的尾矿基质中存在这些发现有助于理解AM真菌通过土壤中有机-矿物相互作用对OM稳定的贡献，揭示了菌根真菌在以富铁母矿物为主的基质中驱动C/N循环和关键矿物元素循环（如Fe/Si循环）的作用。本研究也为将AM真菌引入尾矿成土生态工程技术提供重要依据。
参考文献：Li, Z., S. Wu, Q. Yi, Y. Liu, J. Wang, T. A. H. Nguyen, Y. Ma, F. You, T.-S. Chan, A. Klein, A. Levett, G. Southam, D. S. Alessi, Y. Huang, L. Huang, 2023. Arbuscular Mycorrhizal Fungi Drive Organo-Mineral Association in Iron Ore Tailings: Unravelling Microstructure at the Submicron Scale by Synchrotron-Based FTIR and STXM-NEXAFS. Environmental Science & Technology. DOI: 10.1021/acs.est.3c07614.
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c07614
解读：余连明 中国科学院生态环境研究中心
指导：伍松林 研究员 中国科学院生态环境研究中心
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