利用耐盐碱的固碳细菌来增强盐碱土壤中的碳封存

《CATENA》：Harnessing salt-alkali-tolerant carbon-fixing bacteria to enhance carbon sequestration in saline-alkaline soils

盐碱土壤中接种耐盐碱碳固定菌Glutamicibacter halophytocola DA1可显著提升土壤有机碳（SOC）积累，尤其在矿物结合有机碳（MAOC）和颗粒有机碳（POC）方面。宏基因组分析显示DA1激活了Calvin-Benson-Bassham循环、Wood-Ljungdahl途径和rTCA循环等多条碳固定途径，并富集酸杆菌门（Acidobacteriota）和氢细菌门（Hydrogenedentota）等自养菌类，同时重塑了微生物互作网络。该研究为盐碱土壤修复和碳汇增强提供了新策略。

　　土壤盐碱化已成为全球环境挑战之一，对农业生产和生态系统功能构成了日益严重的威胁。随着气候变化加剧，盐碱化区域的扩展速度也在加快，这使得在这些恶劣环境中提高土壤有机碳（SOC）的固存能力变得尤为重要。本研究旨在探索一种耐盐碱的固碳细菌——*Glutamicibacter halophytocola* DA1，评估其在盐碱土壤中的固碳潜力，并分析其对微生物群落结构和功能网络的影响。通过实验发现，引入DA1菌株后，土壤中的有机碳含量显著增加，特别是与矿物相关的有机碳（MAOC）和颗粒有机碳（POC）的积累。此外，该菌株还促进了多种固碳代谢途径的激活，包括卡尔文-本森-巴斯哈循环（CBB）、伍德-刘易斯-达尔路径（Wood-Ljungdahl pathway）和还原柠檬酸循环（rTCA），这些途径的增强为盐碱土壤中的碳固存提供了新的机制支持。

### 1. 研究背景与意义

土壤盐碱化是指土壤中盐分和碱性物质的积累，这种现象不仅降低了土壤肥力，还限制了植物生长和微生物活动，从而影响土壤有机碳的储存能力。据研究显示，全球约有10亿公顷的土地受到盐碱化影响，且每年以约10%的速度增加。盐碱化会抑制植物的生长，减少碳输入，同时也会对微生物的活性和功能产生负面影响，导致土壤有机碳固存能力下降。因此，开发有效的策略来提高盐碱土壤的碳固存能力，不仅有助于缓解气候变化，还能促进退化土地的可持续管理。

近年来，碳固存微生物（CFM）因其在将大气中的二氧化碳转化为土壤有机碳中的作用而受到关注。这些微生物能够通过固碳作用将二氧化碳固定为有机物质，并通过微生物死亡后的残留物（即微生物“残体”）进一步增强土壤有机碳的积累。研究显示，在湿地中，CFM的固碳能力可达85 mg C m?2 d?1，而在干旱草原和沙漠生态系统中，这一数值分别为22 mg C m?2 d?1和6.4 mg C m?2 d?1。随着微生物培养和分离技术的进步，越来越多的CFM被从不同环境中鉴定出来，其中一些具有耐盐碱特性，能够在极端条件下保持较高的活性和功能。然而，目前关于耐盐碱CFM在高pH盐碱土壤中的应用研究仍较为有限，这主要是由于其在极端环境下的生理适应性和生态位竞争限制了其在这些区域的广泛使用。

因此，本研究尝试通过引入一种耐盐碱的CFM，评估其在盐碱土壤中的固碳潜力，并探讨其对微生物群落结构和功能网络的影响。研究结果表明，DA1菌株不仅能够显著提高土壤有机碳含量，还能促进多种固碳代谢途径的激活，从而增强微生物对碳的固存能力。此外，该菌株的引入改变了微生物之间的相互作用模式，使得微生物群落更加复杂和紧密，同时也引发了竞争性关系的增强。这些发现为微生物生物强化（bioaugmentation）在盐碱土壤修复和全球气候变化应对中的应用提供了重要的理论依据和实践指导。

### 2. 实验设计与方法

为了评估DA1菌株在盐碱土壤中的固碳效果，研究人员从中国辽宁省大连市的沿海泥炭地土壤中分离出该菌株，并通过一系列实验验证其固碳能力。实验采用土壤微宇宙（soil microcosms）模型，通过控制环境条件模拟盐碱土壤的典型特征。实验组（DL）在土壤中接种DA1菌株，而对照组（CK）则接种灭活的菌株。每组设置五个重复，以确保实验结果的可靠性。

在实验过程中，研究人员对土壤的理化性质进行了详细的测定，包括土壤含水量（SWC）、电导率（EC）、pH值、总氮（TN）、总碳（TC）、土壤有机碳（SOC）、溶解有机碳（DOC）、微生物生物量碳（MBC）、矿物相关有机碳（MAOC）和颗粒有机碳（POC）。这些参数的变化不仅反映了土壤碳固存能力的动态变化，还揭示了微生物活动对碳循环的影响。此外，研究人员还通过宏基因组测序和功能基因分析，评估了DA1菌株对土壤微生物群落结构和功能网络的改变。

在宏基因组测序方面，研究人员使用了E.Z.N.A.?病毒DNA提取试剂盒提取土壤微生物群落的基因组DNA，并通过TruSeq DNA Library Preparation Kit构建宏基因组测序文库。随后，使用Illumina NovaSeq 6000平台进行配对末端测序（PE150），以获取高质量的基因组数据。这些数据经过Trimmomatic软件处理，去除低质量序列和接头污染，得到用于后续分析的清洁数据。然后，利用MEGAHIT进行序列拼接，Prodiy进行开放阅读框（ORF）识别，CD-HIT去除冗余序列，并通过DIAMOND算法将拼接后的序列与NR和KEGG数据库进行比对，以确定功能基因和分类信息。

为了评估微生物之间的相互作用模式，研究人员构建了微生物共现网络（co-occurrence network），并分析了其拓扑特性。网络中的节点代表不同的微生物类群，边则表示它们之间的相互作用关系。通过分析网络的连接性、复杂性和模块性，研究人员能够了解微生物群落结构的变化趋势。此外，研究人员还通过随机节点移除实验模拟生态扰动，评估微生物网络的稳定性。结果显示，随着DA1菌株的引入，微生物网络的复杂性显著增加，但稳定性下降，这表明在资源有限的条件下，微生物之间的竞争关系可能增强。

### 3. 实验结果与分析

实验结果表明，DA1菌株的引入显著提高了盐碱土壤中的有机碳含量，特别是在45天后，SOC、MAOC和POC的含量均显著增加。相比之下，对照组的SOC含量仅略有提升。这一结果表明，DA1菌株在促进土壤碳固存方面具有显著效果。此外，研究还发现，DA1菌株的引入增加了微生物群落的多样性，并改变了其组成结构。例如，某些自养微生物类群的相对丰度在实验组中显著增加，这可能与DA1菌株的引入促进了这些微生物的生长和繁殖有关。

在微生物共现网络分析中，研究人员发现，随着实验的进行，微生物之间的相互作用变得更加复杂。实验组的微生物网络比对照组更加紧密，连接性增强，但模块性降低。这种变化可能意味着微生物之间的协同关系减少，而竞争关系增加。通过分析不同时间点的网络结构，研究人员发现，DA1菌株的引入导致微生物群落的稳定性下降，这可能与网络复杂性的增加有关。然而，这种复杂性也为微生物提供了更多的适应机会，使其在盐碱环境中更有效地进行碳固存。

此外，研究还发现，DA1菌株显著激活了多种固碳代谢途径。例如，CBB循环、Wood-Ljungdahl路径和rTCA循环的基因表达水平在实验组中均高于对照组。这些途径的增强表明，DA1菌株不仅能够通过自养方式固定二氧化碳，还能通过不同的代谢机制提高土壤碳固存能力。CBB循环通常与光合微生物和好氧化能自养微生物相关，是目前最普遍的固碳途径之一。Wood-Ljungdahl路径则主要存在于厌氧和微需氧微生物中，能够高效地将二氧化碳转化为乙酰辅酶A。而rTCA循环则被认为是最节能的固碳途径，能够在低氧条件下维持碳固存过程。

这些发现不仅揭示了DA1菌株在促进土壤碳固存中的作用，还为理解微生物在盐碱土壤中的碳循环机制提供了新的视角。通过引入耐盐碱的CFM，研究人员能够克服传统方法在盐碱土壤中的局限性，为退化土地的修复和全球气候变化的缓解提供了新的策略。

### 4. 讨论与意义

本研究的发现表明，DA1菌株的引入能够显著提高盐碱土壤的碳固存能力。通过激活多种固碳代谢途径，该菌株不仅促进了二氧化碳的固定，还增强了微生物对碳的稳定作用。此外，DA1菌株的引入改变了微生物群落的结构，使得某些自养微生物类群的丰度增加，这可能与其对碳的高效利用能力有关。

在微生物共现网络分析中，研究人员发现，随着实验的进行，微生物之间的相互作用变得更加复杂。这种变化可能意味着在资源有限的条件下，微生物之间的竞争关系增强，而协同关系减少。然而，这种复杂性也为微生物提供了更多的适应机会，使其在盐碱环境中更有效地进行碳固存。此外，研究还发现，DA1菌株的引入显著提高了微生物网络的连通性，但降低了其稳定性。这表明，在资源有限的条件下，微生物网络的复杂性可能与稳定性之间存在一定的权衡关系。

从生态意义来看，DA1菌株的引入不仅有助于提高盐碱土壤的碳固存能力，还为微生物在极端环境中的适应性提供了新的证据。通过激活多种固碳代谢途径，该菌株能够增强微生物对碳的利用效率，从而提高土壤有机碳的积累。此外，研究还发现，DA1菌株的引入能够改变微生物群落的组成，使其向更有利于碳固存的方向发展。这一发现为微生物生物强化在盐碱土壤修复中的应用提供了理论支持。

然而，本研究的局限性在于，实验是在受控的微宇宙条件下进行的，因此需要进一步在实际田间环境中验证其长期效果。此外，虽然DA1菌株在短期内表现出良好的固碳能力，但其在长期应用中的适应性和稳定性仍需进一步研究。未来的研究应关注DA1菌株在实际环境中的表现，并探索其与其他微生物之间的相互作用关系，以更全面地理解其在盐碱土壤中的生态功能。

### 5. 结论

本研究的结果表明，引入耐盐碱的CFM *Glutamicibacter halophytocola* DA1能够显著提高盐碱土壤的碳固存能力。该菌株不仅增加了土壤中稳定的有机碳含量，还促进了多种固碳代谢途径的激活，从而增强了微生物对碳的固存作用。此外，DA1菌株的引入改变了微生物群落的结构，使其更加复杂和紧密，同时也引发了竞争性关系的增强。这些发现为微生物生物强化在盐碱土壤修复和全球气候变化应对中的应用提供了重要的理论依据和实践指导。

未来的研究应进一步评估DA1菌株在实际田间环境中的长期效果，并探索其与其他微生物之间的相互作用关系。此外，还需要关注该菌株在不同盐碱程度土壤中的适应性和稳定性，以确保其在实际应用中的有效性。通过这些研究，可以为微生物在盐碱土壤中的应用提供更全面的生态和功能支持，从而为全球气候变化的缓解和退化土地的修复提供新的解决方案。