生物固氮（BNF）是将N₂转化为生物可利用氮（N）的过程，在维持全球N循环中具有重要作用。本研究采用¹⁵N₂同位素示踪、乙炔还原法、单细胞拉曼以及宏基因组/转录组等技术，通过原位表征并结合室内验证，发现了地下水系统中存在大量有活性的固氮微生物。原位地下水中BNF速率高达585.4 nmol N L^-1 h^-1，在单细胞水平上也显示出了细胞色素c共振拉曼峰的偏移（固氮菌的特征偏移谱峰）。异养微生物是地下水中活性固氮菌的主要类群。此外，宏转录组结果显示BNF可能与硝化、硫/砷代谢、亚铁转运和甲烷氧化等过程紧密相关，地下水中的有机质以及硫/铁的还原过程可能是驱动微生物固氮的能量来源，而微生物固氮为相关的生物地球化学过程提供氮源。为进一步探究固氮微生物与铁还原的协同过程及机制，选择从原位地下水样中分离获得的固氮纯菌Klebsiella，验证了其同时具有固氮与铁还原能力。结果表明，Klebsiella可通过BNF作用获得N源（主要为氨基酸），进而促进了自身生长/代谢和铁还原能力；同时铁还原过程为BNF提供了能量和固氮酶辅因子Fe，促进了菌株的固氮酶活和¹⁵N丰度。此外，通过对地下含水层/海洋/热泉沉积物以及稻田土壤的微宇宙培养，发现BNF与铁还原的协同作用广泛分布在不同生态系统中。本研究从多角度证明了BNF是地下水系统重要的N循环环节，并揭示了BNF与Fe还原的协同机制和普遍性，对深入理解BNF相关生物地球化学过程具有重要意义。
关键字：地下水，生物固氮，铁还原，同位素示踪，宏基因组/转录组
 

地下水，生物固氮，铁还原，同位素示踪，宏基因组/转录组