不同二氧化碳浓度下丝状真菌对稳定磷酸盐矿物的生物风化作用

《Environmental Research》：Bioweathering of Stable Phosphate Mineral by Filamentous Fungi under Different CO 2 Concentrations

　　

摘要：

磷矿物的风化在磷（P）循环中起着关键作用。本研究调查了丝状真菌（黑曲霉）在不同CO₂浓度（0.04%、0.4%和4%）下对磷氯铅矿的生物风化作用。扫描电镜观察表明，在0.4% CO₂浓度下，菌丝分枝和孢子形成模式存在差异，尽管真菌丰度与0.04% CO₂浓度下无显著差异。0.4% CO₂浓度可能会加速真菌风化作用。当CO₂浓度从0.04%增加到0.4%时，磷氯铅矿中水溶性P的释放量也从14 mg kg^-1底物升高至56 mg kg^-1。相比之下，4% CO₂浓度限制了真菌生长。此外，0.4% CO₂浓度增强了矿物溶解，而在4% CO₂浓度下，沉淀物会部分覆盖反应性矿物表面，从而阻碍进一步的风化。聚焦离子束透射电子显微镜（FIB-TEM）结果表明，P在横截面中的耗尽深度（0.96 μm）显著高于纵截面（0.05 μm）。因此，横截面更易受风化影响，这可能与取向依赖的晶体学和微观结构特征有关。这些发现阐明了微生物活性与CO₂浓度在矿物风化之间的协同机制，为磷酸盐的生物地球化学循环提供了新的认识。

引言

磷（P）是生物分子结构组成和代谢中的关键元素（Scholz等，2025）。然而，在自然生态系统中，有机体的生长通常受限于可利用的P（Li等，2011；Meng等，2024）。因此，在地质时间尺度上，P设定了陆地和海洋生物生产力的节奏（Tyrrell，1999）。磷酸盐矿物构成了地壳中最大的P储库（Fleet，2014；Hughes和Rakovan，2002）。因此，磷酸盐矿物的风化为土壤系统提供了可利用P的主要来源。然而，晶体结构对这些矿物的风化速率有显著影响（Xu等，2024）。磷灰石族通常呈现六角柱状结构，空间群为P63/m（Botto等，1997）。磷灰石的横截面和纵截面在元素分布和结构稳定性方面存在显著差异（Jongebloed等，1974）。

磷氯铅矿是一种属于磷灰石族的磷酸盐矿物，其中Ca²⁺阳离子被Pb²⁺替代。它与磷灰石具有相同的结构框架。它以其极高的热化学稳定性著称（Solecka等，2015），其Ksp（25°C）约为10^-78（Zhao等，2014）。这不仅是磷灰石族矿物中最低的（Dong等，2002；Flis等，2011），也是几乎所有常见矿物中最低的（Felmy等，1990；Topolska等，2021）。由于其卓越的稳定性，磷氯铅矿为研究生物介导的磷酸盐矿物风化的上限稳定性提供了一个理想的保守模型矿物。目前关于磷氯铅矿的大部分研究集中在其固有性质及其作为重金属修复最终产物的作用上（Ogawa等，2020；Qian等，2025；Zhai等，2025）。然而，磷氯铅矿的风化潜力及其P释放能力仍需进一步研究。

真菌可以通过一系列生长和代谢策略加速磷酸盐矿物的风化（Dong等，2022；Hoffland等，2004；Rawat等，2021）。例如，溶磷真菌（PSF）可以通过代谢产物（即有机酸和铁载体）溶解磷酸盐矿物（do Nascimento等，2021；Dong，2010；Mendes等，2021）。真菌可以通过菌丝延伸产生的生物力学效应加速矿物的物理分解过程，这得益于菌丝内的渗透压（Gadd，2007）。生物力学和生物化学作用的结合使丝状溶磷真菌能够显著溶解磷酸盐矿物（Hoffland等，2004）。黑曲霉（A. niger）是一种广泛分布的腐生丝状真菌，已被公认为具有强地球化学活性性质的溶磷微生物（Goenadi等，2000；Kumar等，2010；Suyamud等，2020）。它容易定殖矿物表面，并分泌大量低分子有机酸以促进矿物溶解（Li等，2016）。A. niger还介导多种次生矿物的转化和生物矿化，使其成为研究磷氯铅矿风化的合适模型（Gadd，2010；Luo等，2023）。然而，真菌在矿物风化中的作用强烈依赖于环境，并受营养限制、空间尺度和生物-矿物相互作用的影响。

溶解的CO₂可以诱导碳酸的形成，从而通过提供额外的质子增强矿物的溶解（Cha?rat等，2007；Harouiya等，2007）。随着全球变暖的加速，大气CO₂浓度已超过420 ppm（Chen等，2026）。值得注意的是，在土壤微环境中，CO₂浓度可以比大气中高一到两个数量级（Sanna等，2021）。例如，在植物根际、富含有机质的土壤孔隙或高生物活性区域，CO₂浓度通常在2,000至4,000 ppm之间（Kuzyakov和Gavrichkova，2010）。在热带森林土壤中，雨季时土壤CO₂浓度经常达到20,000–60,000 ppm（2–6%）（Detto等，2011）。这与在30–50 cm土壤深度报告的CO₂浓度（2-10%）一致（Magnusson，1994）。

升高的CO₂不仅促进磷酸盐矿物的化学溶解，还会改变微生物活性。大量研究表明，升高的大气CO₂主要通过间接的植物介导途径调节土壤微生物过程。增加的CO₂提高植物生产力和碳输入，进而刺激真菌生物量和胞外酶活性。这反过来会加速真菌代谢活性并增强真菌的功能优势（Lipson等，2005；Phillips等，2012），但可能不会实质性改变微生物群落组成（Chung等，2006）。相比之下，在高CO₂浓度等极端条件下，CO₂通过破坏细胞内pH稳态对微生物产生强烈的抑制作用甚至致死效应（Bertoloni等，2006；Schulz等，2012）。CO₂驱动的地球化学反应与CO₂介导的微生物响应之间的相互作用可能强烈调节局部生态位中的磷酸盐风化，但这种耦合机制仍然知之甚少。

本研究旨在调查升高的二氧化碳浓度和黑曲霉如何共同影响磷氯铅矿的风化。考虑到磷氯铅矿独特的矿物性质，研究了真菌定殖和二氧化碳浓度对横截面和纵截面的影响。

章节摘要

真菌菌株和矿物制备

本研究使用黑曲霉（M 2023240，中国典型培养物保藏中心），将其接种于马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）培养基上，在26°C下培养5天以诱导孢子形成。通过用无菌蒸馏水饱和培养物来收获孢子。所得悬浮液通过三层无菌纱布过滤以去除菌丝碎片。通过血细胞计数板定量孢子浓度，并使用无菌生理盐水调节至1.0×10⁵ CFU mL^?1

不同CO₂浓度对黑曲霉代谢的影响

在LCO₂处理下，黑曲霉形成松散的菌丝网络，分枝稀疏，表现出有限且分散的孢子群体（图1A、B）。在MCO₂处理下，密集的菌丝网络紧密附着在石英砂表面，菌丝分枝增加，孢子数量增多。这些孢子沿菌丝分枝及其顶端密集分布（图1C、D）。在HCO₂处理下，尽管仍存在大量孢子，但出现了裂纹

讨论

在0.04% CO₂浓度下，菌丝网络稀疏，分散的孢子密度较低（图1A、B）。在0.4% CO₂浓度下，菌丝网络变得密集，分枝增加，孢子饱满并沿菌丝密集分布（图1C、D）。所有处理中的初始碳源均相同。尽管真菌丰度在0.04%和0.4% CO₂浓度之间无显著差异，但扫描电镜观察表明存在差异

结论

本研究阐明了CO₂浓度和晶体取向如何协同调节黑曲霉对磷氯铅矿的风化效率。CO₂浓度在真菌形态、溶液化学和磷氯铅矿风化方面产生了非线性响应。P和Pb的最高释放量通常出现在MCO₂处理下。横截面比纵截面更易受真菌风化影响。在CO₂富集条件下的真菌活性

CRediT作者贡献声明

何坤：验证、资金获取。李震：监督、项目管理、资金获取。吉家凯：软件、方法论。李明乐：资源、正式分析。朱天睿：撰写—初稿、可视化。韩嘉鑫：验证、资金获取。姜明宇：软件、资源、调查研究。陈轩一：撰写—初稿、可视化。苏穆：项目管理、方法论、调查研究、资金获取、数据管理。卢逸晓：撰写—

未引用参考文献

Goenadi and Sugiarto, 2000; Hesse et al., 2002; Jun et al., 2023; Legi?a and Mattey, 1986.

伦理批准声明

本研究不涉及人类参与者或动物实验。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被认为影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了国家科技重大专项（编号：2025ZD1010301）、国家自然科学基金（编号：42403075）、江苏省碳达峰碳中和技术创新基金（编号：BT2025016）以及中国石油天然气集团公司（CNPC）西部油气与天然气资源高效勘探开发重点实验室（编号：25KTKFSC062）的支持。我们感谢南京大学本科重点实验室陈 Jiani博士和南京农业大学顾婷婷教授

先梦君 | 苏穆 | 卢逸晓 | 姜明宇 | 陈轩一 | 朱天睿 | 韩嘉鑫 | 吉家凯 | 李明乐 | 何坤 | 李震

南京农业大学资源与环境科学学院，南京，江苏 210095，中国