盐渍土壤与自然湿地中植物微生物燃料电池的温室气体减排机制及功能基因动态研究

本研究针对盐渍土壤温室气体减排难题，创新性地采用植物微生物燃料电池(PMFCs)技术，通过对比自然土壤与盐渍土壤系统的产电性能、甲烷/氧化亚氮排放特征及功能基因(norB/nosZ/nirK/nirS)表达差异，发现盐渍土壤PMFCs中产甲烷菌丰度降低使甲烷排放减少至0.01-0.93 mg/m2/hr，为盐碱地生态修复与清洁能源开发提供新思路。

　　

随着全球气候变化加剧，温室气体减排成为亟待解决的环境问题。其中甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)的全球增温潜势分别达到二氧化碳的28倍和265倍，而盐渍化土壤作为特殊生态系统，其温室气体排放机制尚未明确。与此同时，土壤盐渍化正威胁着全球20%的灌溉农田，传统治理方法成本高昂且效果有限。在此背景下，台湾大学的研究团队创新性地将植物微生物燃料电池(Plant Microbial Fuel Cells, PMFCs)技术应用于盐渍土壤治理，相关成果发表在《Journal of Cleaner Production》。

研究团队采用数字PCR(dPCR)和气体通量分析等关键技术，对比分析了自然湿地与盐渍土壤PMFCs系统的产电性能、温室气体排放特征及功能基因表达差异。其中特别关注了产甲烷菌功能基因和氮循环相关基因(norB/nosZ/nirK/nirS)的动态变化，所有土壤样本均来自台湾特定地理坐标的自然湿地(24°78′65″N)和盐渍区(23°15′52″N)。

【实验设置】
研究构建了闭环PMFCs系统，阳极埋入土壤深度创造氧化还原梯度，阴极置于土壤-水界面。通过监测电压输出发现，自然土壤PMFCs平均电压达0.21±0.07 V，显著高于盐渍土壤的0.06±0.04 V。特别值得注意的是，无植物对照的SMFCs在盐渍土壤中反而表现出更强的电压波动。

【电力生成与植物生长】
盐渍条件显著抑制了植物生长，生物量仅为自然土壤的43%。但电化学过程对两种土壤pH影响微弱，说明PMFCs不会导致土壤酸化。透射电镜显示盐渍土壤阳极生物膜含有更多纳米线结构，暗示微生物可能通过这种特殊结构适应高盐环境。

【温室气体排放】
盐渍土壤甲烷排放量(0.01-0.93 mg/m²/hr)比自然土壤(3.69-13.08 mg/m²/hr)降低两个数量级。dPCR检测发现盐渍土壤产甲烷菌基因拷贝数仅为自然土壤的1/1000，且闭环系统比开环系统进一步降低15%。但氧化亚氮通量和相关功能基因在两类土壤中无显著差异。

【微生物群落】
16S rRNA测序揭示两类土壤存在截然不同的初始菌群结构，且这种差异在PMFCs运行期间持续存在。盐渍土壤中Geobacter等电活性菌相对丰度更高，而自然土壤则以Methanosaeta等产甲烷菌为主。网络分析显示盐渍土壤微生物互作更复杂，可能形成特殊的电子传递网络。

该研究首次证实PMFCs在盐渍土壤中具有"一石三鸟"的效益：产生清洁电能、减少甲烷排放、改善盐渍环境。特别重要的是，发现生物电化学过程可通过抑制产甲烷菌而非改变氮循环菌来选择性降低温室气体排放。研究为沿海盐渍区综合治理提供了创新性解决方案，未来可通过优化电极材料和植物-微生物协同作用进一步提升系统性能。通讯作者Chang-Ping Yu团队指出，这项技术的规模化应用可能使受海水入侵影响的农田同时实现生态修复和能源生产。