根据不同的生长获能方式,铁还原微生物主要划分为呼吸型（或专性）铁还原微生物和发酵型（或兼性）铁还原微生物两类。沉积物等厌氧环境中的微生物铁还原过程被认为主要是由呼吸型铁还原微生物所介导的,如地杆菌（Geobacteraceae）、厌氧粘细菌（Anaeromyxobacter）等;长期以来针对呼吸型铁还原微生物的研究已有大量的报道。然而,由于早期研究方法的局限,针对发酵型铁还原微生物的研究基础相对薄弱。梭菌（Clostridium）和芽孢杆菌（Bacillus）等发酵微生物在土壤环境中广泛存在,尤其在稻田或水稻土淹水培养初期是处于相对优势的类群,对于微生物发酵产氢及参与水稻土中氧化铁还原过程起着十分重要的作用,因此探讨淹水稻田中发酵微生物在铁还原过程中的作用机理及贡献具有重要的理论和实际意义。本研究采用淹水非种植水稻土微环境作为模式系统,在分别添加外源碳源及调节土壤pH和温度条件下,利用反转录实时定量PCR、变性梯度凝胶电泳及高通量测序技术研究具有代谢活性的梭菌和芽孢杆菌丰度及群落结构变化特征;通过与不同环境因素调控下水稻土中的铁还原潜势进行统计分析,明确发酵微生物在铁还原中的作用机理和贡献;并采用氢酶基因敲除与表达方法验证微生物发酵产氢过程在铁还原过程中的作用机理。主要的研究结果如下:（1）向水稻土中添加不同浓度的葡萄糖明显改变了具有代谢活性的细菌群落结构,其中厚壁菌门（Firmicutes）取代变形菌门（Proteobacteria）成为第一优势类群。添加葡萄糖显著增加了淹水培养初期梭菌属和芽孢杆菌属微生物的16S rRNA拷贝数和相对丰度,并促使这两类微生物的群落结构发生了明显的改变。添加低浓度葡萄糖增加了培养后期梭菌属微生物群落的多样性,而抑制了芽孢杆菌属微生物的。添加高浓度葡萄糖对梭菌和芽孢杆菌的群落多样性均起到抑制作用。淹水水稻土中,具有代谢活性的梭菌和芽孢杆菌优势类群主要隶属于具有产氢产酸或铁还原功能的类群。这些结果表明,向水稻土中添加葡萄糖使得具有代谢活性的梭菌、芽孢杆菌及总细菌群落发生了明显变化。（2）淹水培养过程中,调低碱性水稻土初始pH或调高酸性水稻土初始pH均降低了梭菌属和芽孢杆菌属微生物的16S rRNA拷贝数,说明在自然环境中,原位土壤pH可能最适宜该环境下微生物群落的生长,骤然调高或调低土壤pH都会抑制水稻土中土著微生物的生长活性。调节水稻土初始pH也使得具有代谢活性的梭菌属和芽孢杆菌属微生物群落结构发生了明显改变,且不同pH处理间的群落结构差异随着淹水培养时间的延长而增大。调节初始pH对梭菌和芽孢杆菌群落多样性的影响不同,增加了梭菌的群落多样性,而降低了芽孢杆菌的群落多样性。（3）与30℃处理相比,15℃处理下的梭菌和芽孢杆菌16S rRNA拷贝数及相对丰度在淹水培养初期较低,但在培养中后期明显升高。30℃处理中的梭菌和芽孢杆菌群落结构在淹水初期变化活跃,而15℃处理中的微生物群落结构在淹水培养后期的稳定性有所下降;与15℃处理相比,30℃处理中的梭菌和芽孢杆菌多样性指数均较高。这些结果表明,改变培养温度不仅影响了梭菌和芽孢杆菌的代谢活性,也使其群落结构发生了明显改变。（4）调节碳源浓度、初始pH及培养温度显著影响了水稻土中的微生物发酵产氢过程以及铁还原过程。不同环境因素调节下,具有代谢活性的梭菌和芽孢杆菌丰度、相对丰度和群落结构变化与水稻土微生物产氢和铁还原过程密切相关。在碳源处理中,Fe（II）最大累积量随着葡萄糖添加量的升高而显著增加,这可能归功于添加葡萄糖一方面提升了梭菌和芽孢杆菌所介导的发酵型铁还原过程,另一方面通过促进发酵微生物的产氢过程向铁还原提供了更多的电子供体。将碱性水稻土初始pH调低明显抑制了铁还原过程,这可能主要是由骤然降低的pH抑制了梭菌和芽孢杆菌等铁还原相关微生物的生长活性以及改变了这些微生物的群落结构引起的;而调高酸性水稻土初始pH虽抑制了梭菌和芽孢杆菌的生长,但却提升了氢的利用能力,表现出对铁还还原过程影响不大。与15℃处理相比,升高培养温度明显提升了梭菌和芽孢杆菌的代谢速率和氢利用效率,进而对水稻土铁还原过程起到了明显的促进作用。（5）随着土壤中碳源含量、pH环境及温度的改变,水稻土中具有代谢活性的专性铁还原菌（地杆菌和厌氧粘细菌）的群落结构及相对丰度均发生了明显的变化。添加葡萄糖使淹水培养初中期专性铁环菌的相对丰度以及其与兼性铁环菌（梭菌和芽孢杆菌）的比值明显降低,且降低幅度随着葡萄糖浓度的升高而增大;说明向水稻土中添加葡萄糖明显提升了兼性铁还原菌的贡献,尤其在碳源充足的条件下,其可能在水稻土铁还原过程中起主导作用。调低碱性水稻土初始pH显著降低了淹水初中期专性及兼性铁还原菌的比值,使兼性铁环菌的作用明显增加;而调高酸性水稻土初始pH值对这两类微生物的比值影响不大,在不同处理下兼性铁还原菌均处于主动地位。宝坻水稻土中,兼性铁环菌在15℃条件下的贡献较大,而升高培养温度有利于专性铁还原菌的功能发挥;升高培养温度对南昌水稻土中的专性铁还原菌也有一定的促进作用,但影响程度不大。淹水水稻土中专性和兼性铁还原菌对于环境变化的响应敏感性差异较大,其中专性铁还原菌群落多样性在不同处理间的变化幅度更大。与专性铁还原菌相比,兼性铁还原菌对于环境变化的适应性强,使其可以在不同环境条件中发挥稳定的功能。（6）向水稻土中添加不同浓度磷酸盐明显抑制了淹水培养前期的铁还原过程,使最大铁还原速率明显降低;但磷酸盐添加对淹水培养后期的Fe（II）累积没有明显影响。随着磷酸盐的添加,梭菌属和地杆菌科微生物的丰度明显降低,且其群落结构也发生了明显的改变。相关分析表明,不同磷酸盐浓度处理下梭菌和地杆菌丰度及其群落结构变化与水稻土铁还原过程密切相关。淹水培养前期,添加磷酸盐主要通过降低了梭菌和地杆菌丰度以及改变群落结构,进而显著抑制了水稻土铁还原过程。但随着淹水培养时间的延长,添加磷酸盐对梭菌和地杆菌生长及其功能所造的抑制作用逐渐减弱,从而促使淹水培养后期铁还原过程基本得到恢复。（7）大肠杆菌中,将氢酶3（Hydrogenase-3,Hyd-3）的大亚基基因敲除后,菌株的产氢能力完全丧失,并伴随着铁还原能力的显著降低;而当Hyd-3的大亚基基因回复时,菌株的产氢及铁还原能力均能恢复至野生菌株水平。说明大肠杆菌中Hyd-3调控的发酵产氢过程与其铁还原过程密切相关。单敲除氢酶1（Hydrogenase-1,Hyd-1）或氢酶2（Hydrogenase-2,Hyd-2）大亚基基因对菌株的产氢及铁还原能力影响不大,可能是因为这两种氢酶之间存在补偿效应。而高效表达Hyd-1或Hyd-2的相关基因,使菌株的铁还原能力和氢利用能力明显得到提升;这些结果表明大肠杆菌可以利用H₂的氧化介导氧化铁的还原,且H₂-依赖型的铁还原过程与吸氢酶密切相关。通过本文的研究,对不同环境因素调节下水稻土中发酵微生物的群落变化及其与铁还原过程的内在关系有了更深入的认识,揭示了发酵微生物在水稻土铁还原过程中具有重要贡献,其通过发酵有机质在铁还原过程中发挥着直接或间接的作用;深入认识了专性与兼性铁还原菌对不同环境条件变化的响应机制,及微生物发酵产氢过程对铁还原过程的作用机理,为进一步揭示淹水稻田中铁还原的机理提供了重要的理论依据。