源自细菌的碳酸酐酶能够增强生物结皮层的土壤抗剪切强度

《CATENA》：Bacteria-derived carbonic anhydrases enhance the soil shear strength of biocrusts

沙漠化和土壤侵蚀是干旱区面临的重要环境问题，生物土壤结皮（biocrusts）通过微生物酶碳酸盐沉淀增强土壤抗剪强度。本研究在古尔班通古特沙漠分离出高活性芽孢杆菌，证实其碳酸盐水合酶（CA）能诱导碳酸晶体形成，显著提升沙土剪切强度（最高达7.62 kPa），且苔藓结皮效果优于蓝藻结皮。Bacilli和Bacteroidia是主要产酶菌属，其丰度与CA活性及土壤有机质含量正相关。SEM显示碳酸晶体在沙粒表面形成锚固结构，验证了酶促矿化机制。该研究为荒漠化治理提供了酶学调控新策略。

　　沙漠化及其引发的土壤侵蚀问题一直是全球环境关注的重点，尤其是在干旱和半干旱地区。生物土壤结皮（biocrusts）在提升土壤抗侵蚀能力方面具有重要作用，但其背后的微生物酶促机制尚不明确。本研究选取了古尔班通古特沙漠中的生物土壤结皮样本（包括蓝藻结皮和苔藓结皮），旨在探讨碳酸酐酶（CAs）在增强土壤剪切强度中的功能。研究结果表明，生物土壤结皮的发育显著提升了土壤的剪切强度，尤其是在苔藓结皮中表现尤为突出。土壤剪切强度的变化与CA活性和细菌组成密切相关。同时，生物土壤结皮的形成也显著增强了CA活性，显示出与剪切强度的正相关性。与剪切强度和CA活性的变化相一致，结皮中的细菌数量也有所增加，其中Bacilli和Bacteroidia在CA分泌和提升土壤剪切强度方面发挥了显著作用。此外，研究人员从结皮中分离出三种能够分泌CA的Bacilli菌株，并通过扫描电子显微镜验证了这些细菌诱导形成的碳酸盐晶体可以有效粘结沙粒，从而显著增强沙土的剪切强度。综上所述，本研究提供了有力的证据，支持CA在干旱生态系统中生物土壤结皮发育过程中提升剪切强度的作用。这些发现为理解生物土壤结皮在缓解土壤侵蚀中的贡献提供了独特的酶学视角，并突出了在生物土壤结皮修复和沙漠化控制中物种选择的重要性。

生物土壤结皮是干旱生态系统中一种重要的微生物群落，它们由多种蓝藻、藻类、地衣、苔藓、细菌、真菌和其他微生物组成。根据其演替阶段和主导生物成分，生物土壤结皮可以分为蓝藻结皮、地衣结皮和苔藓结皮。这些结皮广泛分布于脆弱的干旱和半干旱生态系统中，覆盖面积可能超过70%。它们在增强表层土壤稳定性、增加养分含量以及调节水文过程方面发挥着关键作用。然而，由于物种组成、演替阶段和地理位置的差异，生物土壤结皮对土壤侵蚀的抗性也存在显著变化。因此，明确影响生物土壤结皮剪切阻力的因素至关重要，因为它们在固定沙土和减轻侵蚀方面起着重要作用。

碳酸酐酶（CAs）是一类含有锌配体的酶，能够催化二氧化碳的可逆水合反应。它们具有极高的催化效率，其反应速率大约是非催化反应的10^9倍，转化数可达10^4至10^6。CAs在多种生理过程中发挥着重要作用，如二氧化碳的捕获与运输、酸碱平衡的维持以及离子交换。更重要的是，CAs能够促进生物矿化沉淀，这一过程在碳酸盐岩和钙化珊瑚骨骼中已有广泛研究。由细菌诱导的碳酸盐显示出在土壤固化、裂缝修复和基础加固方面的应用潜力。我们之前的研究发现，在珊瑚礁生态系统中，蓝藻结皮中的CA活性与抗冲刷能力之间存在显著正相关。然而，关于细菌CA在干旱生态系统中生物土壤结皮演替过程中如何增强土壤剪切强度，仍有待进一步研究。

土壤中的CA主要来源于微生物分泌，并且与微生物群落密切相关。不同微生物群体，如嗜盐菌、硫酸盐还原菌、蓝藻、微藻和分枝杆菌，都具备诱导碳酸盐矿物沉淀的能力。研究表明，特定的微生物类群会影响CA活性，而这些微生物的丰度增加将显著提升CA的数量和功能。此外，土壤环境因素的变化，如pH值和盐度，也会影响微生物群落动态，从而影响CA活性。我们之前的研究表明，在生物土壤结皮形成过程中，微生物丰度和土壤的理化性质，包括叶绿素a、总碳、总氮和总磷含量都会显著提升。因此，生物土壤结皮的发育和演替可能通过改变微生物组成、CA活性和碳酸盐晶体形成来促进土壤剪切强度的提升。然而，目前对干旱生态系统中这些微生物机制的系统研究仍然不足。

基于上述背景，我们提出了以下假设：（1）生物土壤结皮从蓝藻结皮向苔藓结皮的发育过程会显著增强土壤剪切强度，并且这种增强与CA活性的增加和微生物群落结构的变化呈正相关；（2）在生物土壤结皮后期演替阶段中富集的特定微生物类群是CA分泌的主要贡献者；（3）细菌来源的CA通过促进碳酸盐晶体的沉淀来增强土壤剪切强度。为了验证这些假设，我们选取了古尔班通古特沙漠中代表两种不同演替阶段的生物土壤结皮样本（蓝藻结皮和苔藓结皮），以及裸土作为对照。研究的目标包括：（1）量化生物土壤结皮发育过程中土壤剪切强度、CA活性和微生物群落组成的差异及其相关性；（2）识别主要负责CA产生的微生物类群；（3）阐明细菌来源的CA在增强土壤剪切强度中的机制作用，特别是碳酸盐晶体的形成和其在土壤结构中的贡献。本研究首次从酶学角度探讨了生物土壤结皮在干旱地区提升剪切强度的功能，并为未来生物土壤结皮修复和沙漠化控制中的物种选择提供了重要依据。

研究区域位于新疆准噶尔盆地中部的古尔班通古特沙漠，这是中国面积最大且具有固定和半固定特征的沙漠。该区域的海拔范围在300至600米之间，面积约为4.48×10^4平方公里。根据世界土壤资源参考分类，该地区的主导土壤类型为砂土。古尔班通古特沙漠的气候以干旱为主，降水量较少。年平均气温为8.3°C，年降水量为129毫米，而年蒸发量超过2000毫米。该地区的植被以卤蕨（Haloxylon persicum）和沙拐枣（Haloxylon ammodendron）为主，覆盖面积不足30%。沙漠表面发育良好的生物土壤结皮，覆盖面积超过30%。这些结皮包含不同演替阶段，包括蓝藻结皮、地衣-苔藓混合结皮和苔藓结皮。其中，沙丘顶部主要分布蓝藻结皮的初期阶段，而苔藓结皮则主要分布在沙丘之间的低洼地带。

在2023年4月，研究人员在古尔班通古特沙漠中选取了三种类型的样本（0–2厘米），包括蓝藻结皮、苔藓结皮和裸土，以评估微生物CA对土壤剪切强度的影响。研究设置了四个30米×30米的样方，每个样方之间距离超过400米。每个样方内设立两个采样点，共收集了24个样本。土壤剪切强度的测定是在现场进行的。其中一份样本在4°C下保存，用于测定土壤理化性质和酶活性；另一份样本则使用LifeGuard土壤保存液处理后，置于液氮中保存，用于微生物分析。土壤剪切强度的测定采用手持式锥形剪切仪（Eijkelkamp，Giesbeek，荷兰），首先在野外选择一个直径超过25毫米的相对平坦的土壤表面，然后将测试头插入土壤中0.5厘米深度，并旋转以施加扭矩力。随着扭矩力的增加，弹簧组件相应延伸，直到土壤剪切并损坏。此时，测量装置会自动锁定并显示剪切值。

土壤理化性质的测定包括pH值和盐度，采用IQ160 pH计和盐度分析仪进行，遵循标准方法。总氮（TN）、总有机碳（TOC）和总磷（TP）的测定也采用已建立的测量方法。CA活性的测定方法基于我们之前的研究，略有修改。取1克土壤样本，加入1毫升巴比妥酸盐缓冲液（0.02 mol/L，pH 8.3），并在冰上研磨后进行涡旋混合5分钟。随后，将混合物在4°C、6000转/分钟的条件下离心5分钟，使用上清液进行CA活性测定。CA活性以每克干土的单位（U/g dry soil）进行量化。用于评估细菌CA活性的培养基按照之前的方法制备。测定细菌CA活性的方法与上述描述一致。

在生物土壤结皮发育过程中，土壤剪切强度和CA活性均显著提升。研究结果表明，苔藓结皮的剪切强度达到7.62 kPa，是裸土（0.98 kPa）的7.78倍，而蓝藻结皮的剪切强度为3.54 kPa。CA活性在苔藓结皮中最高，达到1.66 U/g干土，显著高于裸土（0.39 U/g干土）和蓝藻结皮（0.67 U/g干土）。CA活性与剪切强度呈正相关，这一关系在冗余分析中得到了验证。此外，TOC、TN、TP和细菌丰度也与剪切强度呈正相关。这些结果表明，生物土壤结皮的形成和演替过程中，土壤理化性质和微生物群落的变化对土壤剪切强度的提升具有重要作用。

在生物土壤结皮的形成过程中，微生物群落的丰度显著增加，尤其是在苔藓结皮中。这一结果与之前的研究一致，表明生物土壤结皮的发育能够促进土壤微生物的富集。我们最近的研究还表明，生物土壤结皮在塑造热带珊瑚岛微生物群落多样性方面发挥着关键作用。冗余分析进一步揭示了微生物群落结构与生物土壤结皮种类以及土壤质量（如TOC、TN和TP）之间的紧密联系。生物土壤结皮、微生物和土壤性质之间存在相互反馈机制，生物土壤结皮的形成有助于有机质的积累，从而改善土壤质量。因此，这一过程可能为微生物的生长和CA分泌提供更大的能量储备。

微生物群落组成的变化对CA活性和分泌水平的差异具有显著影响。土壤微生物群落的组成变化可能通过不同微生物类群的分泌能力差异影响CA活性。在本研究中，不同组之间的主要微生物类群相对丰度存在显著变化。其中，Bacilli、Bacteroidia和Rubrobacteria在苔藓结皮中相对丰度最高，其次是蓝藻结皮和裸土。进一步的数据表明，这些微生物类群与CA活性、剪切强度和土壤质量之间存在显著关联。随机森林分析和结构方程模型显示，Bacilli和Bacteroidia对CA活性的贡献尤为显著。这表明，不同演替阶段的生物土壤结皮采用了不同的微生物策略来促进其发育，并通过分泌CA酶增强土壤抗侵蚀能力。在极端环境的高盐度湖泊中，Bacteroidia主要负责生物矿化沉淀，并在诱导碳酸钙和生物膜形成方面发挥关键作用。Bacillus类微生物因其分泌CA的能力而被广泛研究，并在水泥材料的生物矿化沉淀中具有应用潜力。本研究中分离出的三种Bacillus菌株（SCSIO19810、SCSIO19811和SCSIO19812）也表现出较高的CA活性。这些菌株处理过的沙土剪切强度显著提升，表明它们在土壤固化过程中具有重要作用。扫描电子显微镜的数据显示，这些菌株诱导形成的碳酸盐晶体能够有效粘结沙粒，从而增强沙土的剪切强度。通过结合之前的研究成果和本研究的实验数据，可以得出结论：这些微生物在生物土壤结皮的形成和发育过程中，对增强土壤抗侵蚀能力起到了关键作用。此外，本研究的结果为未来利用这些功能菌株进行生物土壤结皮修复和沙漠化控制提供了有价值的见解和指导。然而，由于生物土壤结皮中微生物相互作用的复杂性，其他微生物群体可能也对CA活性有重要贡献，因此有必要进一步研究CA菌株的分离和功能特性。

生物土壤结皮发育过程中，细菌诱导的CA促进碳酸盐晶体的形成，从而增强土壤剪切强度。研究结果表明，土壤剪切强度的提升部分归因于CA诱导的碳酸盐晶体的形成。扫描电子显微镜的观察结果显示，这些碳酸盐晶体存在于沙粒表面和颗粒间隙中，表明其在土壤结构中的重要作用。碳酸盐的形成可以增加沙粒的粒径，从而增强土壤的凝聚力和机械强度。此外，碳酸盐的沉积可以改善沙粒的表面粗糙度，进而提升内部摩擦角和剪切强度。值得注意的是，碳酸盐沉淀物的存在能够增强沙粒之间的粘结作用，类似于水泥固化过程中的现象。因此，生物土壤结皮发育过程中CA活性的增加可能促进大颗粒的形成，从而最终提升土壤剪切强度。

此外，微生物来源的碳酸酐酶作为胞外聚合物物质的一部分，能够通过其蛋白质粘性特性吸附土壤微粒。CA的活性官能团可以与氧化物和有机物质形成复合物，从而促进土壤团聚，提高土壤的稳定性。同时，CA有助于二氧化碳的固定，并通过光合作用增强土壤中溶解性无机碳的浓度，进而促进有机碳的合成。土壤中有机物质的增加有助于形成土壤团聚体，从而提升土壤剪切强度和稳定性。

毫无疑问，细菌诱导的CA在生物土壤结皮的形成和发育过程中对土壤剪切强度的增强起到了关键作用。除了CA，还需要对其他酶如尿素酶在促进碳酸盐形成和增强生物土壤结皮抗侵蚀能力中的作用进行深入研究。此外，还需进一步探讨真菌和古菌群落在生物土壤结皮发育过程中对CA活性的潜在贡献。应认识到，CA活性和土壤剪切强度可能受到多种因素的影响，包括温度、湿度和土壤质地。此外，胞外聚合物物质、生物土壤结皮的厚度和粗糙度等变量也可能影响结构方程模型（SEM）中的因果关系。因此，更全面的环境因素量化和统计分析的可视化将有助于深入理解微生物CA与生物土壤结皮剪切强度之间的关系。

综上所述，本研究揭示了CA活性在干旱生态系统中生物土壤结皮发育过程中如何增强土壤剪切强度。研究结果表明，生物土壤结皮的形成显著提升了土壤剪切强度，尤其是在苔藓结皮中。CA活性与土壤剪切强度之间存在显著的正相关性。与剪切强度和CA活性的变化相一致，微生物的丰度在生物土壤结皮发育过程中显著增加，其中Bacilli和Bacteroidia对增强CA活性起到了重要作用。进一步的数据证实了由Bacillus菌株诱导形成的碳酸盐晶体能够有效粘结沙粒，从而显著增强沙土的剪切强度。本研究采用微生物生态学、酶学和土壤科学的多学科方法，提供了有力的证据，表明生物土壤结皮的发育通过改变内在微生物群落和CA活性显著增强了土壤剪切强度。此外，本研究还强调了在生物土壤结皮修复和沙漠化控制中物种选择的重要性。