直接施用富含胞外聚合物物质的细菌发酵液以稳定沙漠土壤

《Bioresource Technology》：Direct application of bacterial fermentation broth rich in extracellular polymeric substances for desert soil stabilization

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  发酵液未经聚合物提取直接施用。
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  发酵液的应用促进了沙漠沙子上早期生物结皮的形成。
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  经过处理的地块在80天内积累的沉积物减少了51–66％。
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  细菌多样性和推断的关联网络发生了变化。

引言

土地退化和荒漠化是干旱和半干旱地区的主要生态问题。干旱地区覆盖了全球40％以上的陆地表面，支撑着世界上超过三分之一的人口，其中大约10–20％的区域已经出现了严重的退化（Reynolds等人，2007年）。在这些生态系统中，风蚀是导致土地退化的主要过程。细颗粒的流失、有机物的耗尽以及颗粒间凝聚力的减弱使土壤结构变得松散，进一步降低了表面稳定性（Chang等人，2015年）。生物土壤结皮（BSCs）是生活在裸露沙面上的微生物群落，由细菌、真菌、藻类及其分泌的物质组成（Veste等人，2011年；Read等人，2016年）。BSCs可以稳定土壤表面，减少风蚀，并参与养分循环（Belnap和Lange，2003年；Bowker等人，2014年）。然而，在自然条件下，BSCs发展缓慢且容易受到干扰，这使得它们难以在短时间内恢复退化表面的稳定性（Maestre等人，2017年）。因此，加速早期生物结皮的形成和表面稳定仍然是干旱地区恢复的重要挑战。

目前控制荒漠化的方法主要依赖于物理、化学和生态恢复策略，包括机械沙障、植被恢复和土壤改良。然而，材料和技术要求以及保护的持久性仍然是现场应用的重要考虑因素（Sui等人，2019年；Tian等人，2015年）。因此，开发可持续且环境友好型的方法来稳定退化的沙漠表面仍然是一个关键挑战（Maestre等人，2016年）。微生物介导的稳定方法提供了一种替代方案，因为微生物细胞和代谢物可以直接改变土壤颗粒的凝聚力和表面结构。在这些方法中，微生物诱导的碳酸钙沉淀（MICP）通过碳酸盐矿物形成和颗粒粘结被广泛研究用于土壤强化（Cao等人，2024年；Cheng和Shahin，2019年）。然而，基于MICP的稳定主要依赖于无机矿物沉淀，需要特定的底物和环境条件，这可能限制了其在养分贫瘠和水分有限的沙漠生态系统中的应用（Wang等人，2024年）。

另一种微生物稳定机制涉及胞外聚合物物质（EPS），它们在微生物栖息地和生物土壤结皮中充当天然粘合基质。EPS是由多糖、蛋白质和其他有机成分组成的胞外基质，有助于微生物附着、保水以及土壤颗粒的聚集（Flemming等人，2016年；Or等人，2007年）。EPS内的羟基和羧基功能团可以通过氢键、吸附和阳离子介导的桥接作用促进颗粒聚集，从而增强土壤凝聚力和聚集体的稳定性（Costa等人，2018年；Redmile-Gordon等人，2020年；Six等人，2004年；Tisdall和Oades，1982年）。产生EPS的微生物通过在土壤颗粒周围形成粘合性的胞外基质，有助于沙子聚集、生物结皮的形成和抗侵蚀性（Adessi等人，2018年；Costa等人，2018年；Kidron和Drahorad，2022年；Mager和Thomas，2011年）。然而，在水分有限和土壤不稳定的情况下，自然生物结皮的恢复可能非常缓慢。微生物EPS可以通过接种产生EPS的菌株或通过发酵产生的胞外基质来提供。然而，EPS的提纯引入了额外的下游处理步骤，而直接应用富含EPS的发酵液可以同时保留活细胞和胞外产物，同时简化产品制备过程。这种直接应用的发酵产品是否能在沙漠现场条件下提供有效的土壤稳定效果仍有待验证。

在塔克拉玛干沙漠进行的80天实验中，评估了Paenibacillus sp. TRM82006发酵液的野外潜力，使用了三种不同的施用量。富含EPS的发酵液在100升发酵罐中生产并直接施用于沙质表面。评估了生物结皮性质、土壤物理化学特性、表面微观结构和化学性质、TRM82006标记物的丰度以及细菌群落组成的变化。假设发酵产生的胞外物质将有助于早期颗粒结合，从而促进后续生物结皮的形成和细菌群落的重组。

章节片段

研究地点

本研究在中国新疆维吾尔自治区塔克拉玛干沙漠的西南边缘进行（东经82.001°，北纬40.4685°）。该地区具有典型的温带大陆性干旱气候。长期气象背景数据来自中国气象局的祁莫气象站。年平均气温约为12.1°C，年降水量约为38.6毫米，年蒸发量

发酵液施用后的生物结皮发展和风成沉积物转移

在整个80天的野外实验中监测了生物结皮的厚度和硬度（图2a,b）。对照组（CK）没有形成可测量的生物结皮，而所有接受发酵液处理的组都形成了生物结皮。在早期阶段，厚度和硬度通常会增加，其中每次施用含0.546克/m2 EPS的处理组的平均值最高。在该处理组中，第70天的平均厚度达到13.1±0.2毫米，平均硬度达到最高值

TRM82006发酵液诱导的表面积物理化学稳定

TRM82006发酵液的应用促进了野外条件下的生物结皮发展，表现为结皮厚度和硬度的增加。微生物EPS可以通过结合矿物颗粒来促进土壤聚集（Adessi等人，2018年；Costa等人，2018年；Mager和Thomas，2011年）。扫描电子显微镜（SEM）观察显示有类似基质的材料覆盖并桥接了相邻的沙粒，而傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析显示表面化学性质发生了变化，包括

结论

本研究开发并实地评估了一种富含胞外聚合物物质的微生物发酵剂，使用Paenibacillus sp. TRM82006来稳定风蚀性沙漠表面。发酵液的应用促进了早期生物结皮的形成，处理组的平均沉积物质量每10天间隔比对照组低51–66％。发酵液的应用伴随着颗粒聚集的增加，以及

Feng Wen：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法学研究、数据分析、概念构思。Guo Yang：可视化、方法学研究、数据分析。Shihao Niu：方法学研究。Guangyi Liu：方法学研究。Qing He：撰写 – 审稿与编辑。Xingsheng Yang：撰写 – 审稿与编辑。Linquan Bai：撰写 – 审稿与编辑、监督。Ye Deng：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学研究、概念构思。Zhanfeng Xia：撰写 –

资助

本研究得到了新疆人才发展基金——新疆维吾尔自治区“2+5”关键人才计划第三批关键研究与创新平台人才团队的支持；中国国家自然科学基金（项目编号32660030）；塔里木大学研究生研究与创新项目（TDBSCX202401）；以及自治区/兵团研究生研究与创新资助（BTYJSXM-2025-KC09）的支持。

生成式AI声明

在准备这项工作期间，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来改进语言和可读性，并协助手稿的组织。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

Belnap等人（2003年）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的利益冲突或个人关系。

Feng Wen|Guo Yang|Shihao Niu|Guangyi Liu|Qing He|Xingsheng Yang|Linquan Bai|Ye Deng|Zhanfeng Xia

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