富含多糖的蓝藻生物质（cyanomass）在干旱区压缩退化土壤的长期稳定和生态修复中展现出潜力

《Journal of Environmental Management》：Polysaccharide-rich cyanomass showed potential for long-term stabilization and ecological restoration of compression-degraded soils in arid drylands

　　

摘要：在干旱区（覆盖地球陆地面积超过40%），人为土壤压缩会破坏生物土壤结皮（biocrusts），扰乱地下微生物群落，并使不稳定的矿质土壤暴露于风化作用。风化作用导致扬尘和侵蚀，威胁人类健康和基础设施。生态修复旨在通过修复土壤结构完整性和功能来恢复土壤生态系统服务。然而，在干旱地区，有效的修复主要局限于生物结皮接种。为了加强干旱地区粉末状沙壤土的生物结皮介导修复，研究人员将陆地蓝藻的富含胞外多糖的生物质（EPS-rich cyanomass）施加到地下土壤中，同时进行地表生物结皮接种。该富含胞外多糖的蓝藻生物质作为一种功能性、非增殖的改良剂，旨在结合矿物颗粒以稳定土壤、减少侵蚀，并促进生物结皮建立和地下微生物恢复。因此，在施加蓝藻生物质后，研究人员在两年内检查了土壤机械稳定性、生物结皮发育以及地下微生物群落的大小和蓝藻生物质降解能力。作为对照，研究人员包括了仅接种生物结皮的未改良土壤、用合成聚丙烯酰胺（PAM）处理的土壤（用于土壤稳定化）以及未受干扰的完整土壤。研究人员发现，施加4?g/m²的富含胞外多糖的生物质后，土壤稳定性以及地下微生物的生物量和酶活性接近在完整土壤中观察到的水平。两年后测得的地下微生物群落对胞外多糖的消耗能力表明蓝藻生物质处理具有持久益处。这项概念验证的田间研究表明，这种新颖的富含胞外多糖的蓝藻生物质介导的结构和功能地下土壤修复方法在干旱地区受损土壤的生态恢复中具有巨大潜力。

论文解读文章

**研究背景与问题**
干旱区覆盖地球陆地面积超过40%，其土壤退化问题日益严峻。人为活动（如重型机械碾压）导致的土壤压缩会破坏生物土壤结皮（biocrusts，由光合蓝藻、藻类、地衣、苔藓和异养微生物组成的表层微生物群落），扰乱地下微生物群落，并使不稳定的矿质土壤暴露于风化作用，引发扬尘和侵蚀，威胁人类健康与基础设施。生态修复旨在通过恢复土壤结构完整性和功能来重建生态系统服务，但干旱区环境（降水稀少、高温强辐射）严重限制了植物恢复途径，有效的修复手段主要局限于生物结皮接种。然而，生物结皮接种后土壤稳定化进程缓慢，地下微生物群落恢复滞后，亟需新型改良剂以加速过程。为此，研究人员测试了富含胞外多糖（EPS）的蓝藻生物质（EPS-rich cyanomass）作为地下土壤改良剂的潜力，旨在通过其非增殖性、粘合矿物颗粒的功能，同时实现土壤结构稳定和微生物群落功能恢复。该研究于《Journal of Environmental Management》发表，验证了EPS-rich cyanomass在干旱区严重退化土壤修复中的可行性。

**技术方法**
田间试验在以色列内盖夫沙漠Sede Zin冲积平原（砂壤土，AI=0.06）进行。设置5个处理组：3个浓度（1、4、8?g/m²）的EPS-rich cyanomass（由蓝藻Leptolyngbya boryana N1在高CO₂条件下培养获得，含80%多糖和9%蛋白质）、10?g/m²的聚丙烯酰胺（PAM，合成化学稳定剂）以及未改良对照，所有处理均接种当地生物结皮粉末（约250?g/m²）。土壤机械稳定性通过穿透阻力（kg/cm²）、剪切强度（kg/cm²）和团聚体稳定性（slaking test）评估；生物结皮发育通过表面叶绿素a+b（Chl a+b）浓度反映；地下微生物群落活性通过底物诱导呼吸（SIR）和三种胞外糖苷酶活性（α-D-葡萄糖苷酶、β-D-乙酰氨基己糖苷酶、6-磺基-N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶）测定；EPS含量通过酚-硫酸法测定。监测周期为2年（2023-2025年），期间降水仅为长期平均值的45%和51%。数据采用非参数Kruskal-Wallis H检验和Mann-Whitney U检验进行统计分析。

**研究结果**
3.1 蓝藻生物质与土壤表征
EPS-rich cyanomass悬液干重0.72?g/L，其中多糖（主要为EPS）占80%，蛋白质占9%。完整土壤（参考未扰动位点）含64%砂、29%粉粒、7%黏粒，有机碳（SOC）1.33%，pH 7.86，碳酸盐35.5%。

3.2 对土壤穿透阻力和剪切强度的影响
0.5个月后，EPS-rich cyanomass处理的土壤穿透阻力与剂量正相关，且显著高于PAM和对照（P<α）。两年后，4和8?g/m²处理的穿透阻力仍显著高于对照和PAM，且接近完整土壤水平（完整土壤4.09?kg/cm²）。剪切强度在0.5个月后呈剂量依赖增加，但夏季因干燥而下降，两年后所有处理差异不显著，均达到完整土壤水平（1.22?kg/cm²）。这表明4?g/m²为最优长期稳定剂量。

3.3 对土壤团聚体稳定性的影响
两年后，PAM和EPS-rich cyanomass处理的团聚体稳定性均显著高于对照（P<α）。其中4?g/m²处理稳定性最高（均值3.9），与完整土壤（3.90）相当，而8?g/m²处理略低，证实了有机改良剂与团聚体稳定性的非线性关系。

3.4 对生物结皮重建的影响
两年后，所有处理（包括对照）的总叶绿素（Chl a+b）浓度均显著高于完整土壤（19.70?mg/m²），且处理间无显著差异，表明生物结皮接种成功，但额外灌溉水（5?L/m²）可能促进其发育。

3.5 对地下土壤微生物群落的影响
一年后，EPS-rich cyanomass处理的SIR（CO₂产生速率）显著高于对照（P<α），PAM处理居中且不显著。不同浓度间无差异，表明微生物活性恢复主要由EPS提供有机碳驱动。

3.6 对土壤微生物胞外酶活性的影响
两年后，EPS-rich cyanomass处理的α-葡萄糖苷酶和β-乙酰氨基己糖苷酶活性显著高于对照和PAM，且接近完整土壤水平（5.99和8.04?nmol/g/h）。6-磺基-N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶（靶向蓝藻EPS中磺化GlcNAc残基）仅在EPS-rich cyanomass处理中可检测到，表明微生物持续利用EPS。EPS含量在4?g/m²处理中仍显著高于对照（P<α），且SOC含量也显著升高（P<0.000015），证实部分EPS存留为持久有机碳库。

**总结与结论**
讨论部分指出，EPS-rich cyanomass通过其粘合矿物颗粒、稳定土壤结构（4?g/m²最优），并逐步释放易降解蛋白质和难降解EPS，为地下微生物群落提供持续底物，从而促进其生物量和酶活性恢复。该效果优于PAM（仅物理稳定，不提供碳源）和生物炭（稳定效果弱，需高剂量）。EPS-rich cyanomass由光合蓝藻在阳光下利用CO₂生产，低能耗、可再生，具有碳封存潜力。研究结论如下：在这项试点研究中，富含胞外多糖的蓝藻生物质（EPS-rich cyanomass）作为功能性、非增殖的改良剂应用于地下土壤，在生物结皮接种之前施加。这种新颖的结合方法表明，蓝藻生物质施加增强了土壤机械稳定性，并且最显著的是，促进了地下微生物群落的活动和初始恢复。通过解决地下土壤功能恢复的关键需求，该策略克服了干旱地区生态修复的一个主要限制。这一固有优势使其优于聚丙烯酰胺（PAM）介导的土壤稳定化化学方法。因此，所获得的结果表明，富含胞外多糖的蓝藻生物质在修复具有挑战性的干旱区严重退化土壤方面具有相当大的潜力。后续需要在不同土壤质地和气候条件下进行更大规模的研究，并纳入修复相关参数的连续监测，以进一步验证和量化该方法的修复潜力。