多种机制共同驱动湿地中周生藻诱导的碳酸盐沉淀

《Journal of Environmental Sciences》：Multi-mechanisms jointly drive periphyton-induced carbonate precipitation in wetlands

　　**摘要要点**- 光合作用相关的碱化作用是微生物诱导碳酸盐沉淀的主要驱动力。- Ca2?泵出、碳酸酐酶水合反应和尿素分解分别表现出因体系而异的相对贡献率，分别为31.8%–34.5%、14.6%和25.3%–34.9%。- 提取的外聚多糖通过Ca2?络合作用抑制沉淀，而结合态外聚多糖则促进异相成核。- 提出了一个将微生物代谢与微生物诱导碳酸盐沉淀联系起来的作用机制框架。- 多机制框架为理解微生物诱导的碳封存提供了新见解。---## 引言为减轻全球变暖日益加剧的影响并实现碳中和，通过绿色和可持续策略增强陆地生态系统的碳封存能力被广泛认为是一种有前景的途径（Wang等，2021a）。在全球范围内，土壤是陆地生态系统中最大的碳库，在表层2米内储存着约1993 Pg的土壤有机碳（SOC）和2305 ± 636 Pg的土壤无机碳（SIC）（Huang等，2024b）。然而，全球变暖和土壤酸化等环境变化可能会加速SIC的周转和损失（Huang等，2024b）。从20世纪80年代到2010年代，中国经历了0.046 Pg/yr C的SIC净损失，预计到本世纪末，中国约19%的SIC储量将进一步减少（Song等，2022a）。这些发现凸显了将SIC纳入全球碳循环研究的紧迫性，并强调了阐明不同生态系统无机碳封存潜力的必要性。蓝碳生态系统中的无机碳循环已受到广泛关注。例如，海草生态系统中无机碳埋藏量估计为13-52 Tg/yr，远超红树林生态系统的0.8 Tg/yr（Saderne等，2019）。相比之下，尽管淡水湿地由于周期性水文波动、丰富的Ca2?/Mg2?来源以及活跃的微生物活动而理论上有利于碳酸盐沉淀（Yang等，2024），但这些系统的无机碳封存潜力仍然缺乏充分评估。淡水湿地在全球碳循环中发挥着关键作用，其中微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）是无机碳封存的重要途径。其效率受多种因素调节，包括微生物群落组成、pH、碱度、溶解性无机碳（DIC）和Ca2?浓度（Taharia等，2024）。从机制上看，MICP通过三条耦合途径发挥作用：pH调节、无机碳转化和成核诱导。在pH调节方面，光合微生物（如蓝藻细菌）在光合作用过程中同化HCO??并释放OH?，从而提高局部pH（Ansari等，2020）。解脲菌水解尿素产生CO?和NH?，NH?溶于水后释放OH?，进一步升高pH（Chung等，2020）。在无机碳转化方面，由细菌、古菌和微藻产生的微生物碳酸酐酶（CA）催化CO?的可逆水合反应（CO? + OH? ? HCO??），从而加速DIC的相互转化，并在碱性条件下增强碳酸氢盐的可用性以促进后续的碳酸盐沉淀（Zheng和Qian，2020）。在成核诱导方面，微生物细胞壁及其分泌的外聚多糖（EPS）富含带负电荷的官能团，包括羧基（-COOH）、羟基（-OH）和氨基（-NH?）。这些官能团通过静电作用吸附Ca2?和其他阳离子，诱导局部富集Ca2?的微环境。它们还为碳酸盐结晶提供了异相成核位点，从而降低成核能垒（Han等，2019；Song等，2022b）。此外，微生物通过钙离子通道主动向外泵出Ca2?以维持细胞内稳态，进一步促进胞外Ca2?富集和矿化作用（即Ca2?通道泵出）（Ansari等，2020）。现有研究大多集中于单一纯培养菌株或简单的细菌-藻类共培养体系（Feng等，2022；Xu等，2020）。然而，在自然湿地中，微生物以附生微生物（periphyton）等复杂聚合体形式存在。附生微生物诱导碳酸盐沉淀的机制仍然知之甚少，这限制了对湿地系统潜在碳封存能力的全面理解。湖泊、河流和稻田等湿地系统为附生微生物的生长提供了有利的栖息地（Li等，2020）。与单一微生物菌株相比，附生微生物由自养和异养生物共同组成，包括微藻、蓝藻细菌、细菌、真菌、原生动物和微型动物，从而形成结构复杂且相对稳定的生物群落（Wu等，2018）。附生微生物中的光合微生物（如微藻和蓝藻细菌）通过光合作用从水中摄取溶解性CO?并释放O?，从而改变湿地土壤的pH和氧化还原条件。溶液pH升高促进碳酸盐沉淀。Dodds（2003）观察到附生微生物可在浅水生态系统中诱导无机磷与CaCO?的共沉淀或吸附于CaCO?晶体上。Wu等（2018）也在附生微生物中发现纤维状蓝藻细菌表面附着有碳酸钙矿物。附生微生物的EPS含有带负电荷的官能团，能有效吸附Ca2?和Mg2?等阳离子。此外，EPS的三维网络结构可保留和固定微生物分泌的胞外酶（如脲酶），从而形成高活性的酶反应中心（Flemming等，2023）。然而，尽管附生微生物有潜力通过多种机制诱导碳酸盐沉淀，但其下属的生化机制对附生微生物诱导碳酸盐沉淀（PICP）的相对贡献仍然不清楚。本研究以淡水湿地中的附生微生物为对象，旨在系统阐明PICP的多重机制及其对碳封存的潜在贡献。通过建立实验室模拟系统并考虑光照和无机碳浓度等关键环境因素的调控作用，系统研究了光合作用、碳酸酐酶介导的反应、脲酶介导的尿素水解、Ca2?通道泵出和EPS吸附在PICP中的协同作用，并定量评估了这些过程对碳酸盐沉淀的相对贡献。本研究旨在解析PICP的机制基础，量化各代谢途径对碳酸盐形成的体系特异性相对贡献，并推进对淡水湿地系统中复杂微生物群落如何介导碳酸盐矿物形成的理解。---## 各章节摘要### 附生微生物的培育按照Cai等（2021）所述的方法，附生微生物在可控气候室内的玻璃培养箱中培育。将聚丙烯纤维载体悬挂于采集自南京玄武湖的水体中，每周添加改良的BG-11营养液（纯度 ≥ 99%；国药集团化学试剂有限公司，上海，中国；成分详见附录S1）以促进附生微生物生长。玻璃培养箱放置于手动控温的气候培养箱中。### 模拟自然光暗循环条件下的附生微生物诱导碳酸盐沉淀为探究附生微生物在湿地生态系统中诱导碳酸盐沉淀的能力，在模拟自然光暗循环条件下进行了48小时的孵育实验。对照组（无附生微生物）的pH从7.08缓慢上升至8.17，而实验组（含附生微生物）的pH在前8小时内迅速升至9.30以上，并在48小时达到10.08（图1a）。附生微生物还表现出显著的碳酸盐沉淀能力（图1b）。碳酸盐……### 结论本研究证明附生微生物在淡水湿地系统中具有较强的诱导碳酸盐沉淀能力，这一过程由多条交织的微生物途径协同驱动。这些途径包括：光合作用活动，其中HCO??被转化为CO?2?；酶促耦合的碳氮转化，其中碳酸酐酶提高了环境pH有利于碳酸盐沉淀，而脲酶与NaHCO?协同增强了碳酸盐沉淀的形成……---## CRediT作者贡献声明**武聪敏：** 撰写初稿、可视化、调查研究、形式化分析、概念构思。**胡新宇：** 审阅与编辑、监督指导、概念构思。**郑云芸：** 审阅与编辑、监督指导、概念构思。**施仁勇：** 审阅与编辑、概念构思。**李九宇：** 审阅与编辑、监督指导、获取经费、概念构思。**徐仁扣：** 可视化、概念构思。---## 利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。---## 致谢本工作受以下项目资助：国家自然科学基金（编号：42177300和41877102）、井冈山农业高科技园区省级科技专项（编号：20222-051246）、江西省耕地质量提升与安全利用技术研发与应用（编号：JXNK202607-03）。---武聪敏 | 胡新宇 | 郑云芸 | 施仁勇 | 李九宇 | 徐仁扣