The Innovation Geoscience | 湿地上漂浮的铁生物膜：甲烷气体的彩色屏障

湿地水面上常见五彩斑斓的薄膜，这种薄膜常被误认为是油膜。然而，当我们把它放在显微镜下观察，我们发现它是由铁质和微生物组成的具有规则晶体结构的铁生物膜。这一神奇现象激发了我们的研究兴趣。它们如何形成的？又有什么作用呢？通过深入探索，我们发现这种铁生物膜可自发形成，并且具备阻挡湿地甲烷排放的能力。这层多为人见却少为人知的湿地飘浮铁膜，可能在全球碳循环中具有重要作用。

导 读

湿地是全球重要的甲烷排放源，贡献了约30%-40%的自然甲烷排放量。然而，科学家们一直困惑于为何某些富含有机质的湿地甲烷排放量却低于预期。本研究首次揭示了漂浮在水气界面的铁生物膜如何形成天然屏障，从而减少甲烷排放，并提出了一种新的“双屏障”机制——不仅沉积物-水界面（SWI）能氧化甲烷，在水气界面（WAI）形成的铁生物膜同样具有强大的甲烷阻隔能力。

图1 图文摘要

湿地中的铁生物膜：甲烷气体的彩色屏障

湿地被誉为“地球之肾”，在调节气候方面发挥着重要作用。然而，由于水稻田和湿地生态系统频繁受到人类活动影响，如秸秆还田等农业措施，导致大量有机质的输入，从而改变了原有的甲烷氧化格局。

传统观点认为，甲烷主要在沉积物-水界面（SWI）被微生物氧化。然而，在高有机质条件下，这一屏障往往失效，导致甲烷泄漏至水体中。尽管观测数据显示水中甲烷浓度很高，实际排放到大气中的甲烷却远低于理论值。这一“矛盾现象”促使我们去探索是否存在另一种未知的甲烷屏障。

我们在多个水稻田、湖泊和沿海湿地中观察到一种常见的自然现象——水面上漂浮着一层带有金属光泽的薄膜。经过分析证实这是一种铁生物膜。这种铁生物膜厚度从纳米级到毫米级不等，具有独特的物理结构和丰富的微生物群落。

如何生成五彩斑斓的铁生物膜？

我们把有机质添加到淹水的土壤中，最快几天内就可以生成铁膜。这种彩色的铁膜厚度在几十到几百纳米之间（图2）。这种颜色是铁膜的结构色，并可以使用盖玻片采样后长期保存。以前的科学文献往往误认为这种彩虹色是铁氧化微生物驱动形成的。事实上该阶段的铁膜上我们没有观测到微生物。

图2 彩虹色铁膜培养（原图 S3，浙江上虞土壤中的取样演示）

铁生物膜如何抑制甲烷排放？

实验表明，铁生物膜可以通过两种方式有效降低甲烷排放：

物理阻隔 ：铁生物膜覆盖在水面，阻碍甲烷扩散进入大气 （图3）。

微生物氧化 ：生物膜中富集了大量甲烷氧化菌（如含有pmoA基因的细菌， 图4），它们能直接将甲烷转化为二氧化碳。

图3 漂浮铁生物膜在不同环境中的甲烷阻隔效应

我们通过一系列对照实验测得，铁生物膜的存在使甲烷排放减少了59%–85%，尤其是在富含有机质的环境中效果更为显著。此外，铁生物膜具有长期稳定性，在无外界扰动的情况下可维持数周至数月的功能活性。

图4 不同海洋沉积物、湖泊沉积物和水稻土表面的铁膜上的甲烷营养功能基因丰度与甲烷通量之间的关系

铁生物膜的结构与功能

扫描电镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析显示，铁生物膜具有双层结构

空气面层 ：新鲜的铁膜由纳米级球形颗粒构成，呈现自组装特性（图5）；

水面接触层 ：布满微生物群落，包括好氧异养菌、兼性厌氧菌以及参与硝酸盐和硫化物呼吸的类群（图6）。

图5 铁生物膜的扫描电镜图像与XPS元素分析结果

该结构不仅能增强膜的机械强度，还能促进微生物代谢活动，提高甲烷氧化效率。同时，XPS分析显示，铁以Fe(II)/Fe(III)混合价态存在，表明其具备氧化还原活性，可能在化学层面参与调控甲烷氧化过程（图5）。

图6 铁生物膜和相应表面沉积物或土壤的微生物群落组成

解决甲烷排放的“悖论”

在秸秆还田或有机肥施用过程中，由于有机质输入显著增加，通常预期甲烷排放量会随之增加。但本研究发现，随着上述铁生物膜的生成，甲烷排放量反而下降。通过测量不同秸秆添加量下的铁生物膜质量和甲烷通量，我们发现两者之间呈显著负相关（R² = 0.96），即铁生物膜越多，甲烷排放量越少 （图7）。

图7 水稻收割后秸秆还田后，甲烷排放和铁生物膜形成的关系

这一发现可以解释一个长期以来的谜题：为何在高有机质输入的情况下，甲烷排放并未持续上升？答案在于自然系统中存在自我调节机制——铁生物膜的形成或许正是其中之一。

总结与展望

本研究首次揭示了湿地水气界面铁生物膜的甲烷阻隔功能，并提出了铁生物膜抑制甲烷排放的“双重屏障”机制。这一发现不仅突破了传统认知，也为未来湿地管理和农业减排提供了新思路。利用自然形成的铁生物膜或基于铁的修复剂作为“基于自然的解决方案” （Nature-Based Solution, NbS），有望成为应对气候变化的新策略。

责任编辑

王小均   西北大学

栾国强   长江大学