《Applied Soil Ecology》：Temporal dynamics of ureolytic microorganisms in acidic pomelo soil following oyster shell powder application
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•长期添加牡蛎壳粉可促进高效氮循环菌群的建立。•脲解演替呈两阶段特征：先由放线菌占优，后转变为变形菌占优。•在长期添加条件下，ureC基因丰度早期达到峰值，而脲酶活性则随时间持续升高。•pH介导金属生物有效性变化，驱动生态位竞争。引言脲解微生物能够通过脲酶将尿素水解为氨和二氧
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长期添加牡蛎壳粉可促进高效氮循环菌群的建立。
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脲解演替呈两阶段特征：先由放线菌占优，后转变为变形菌占优。
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在长期添加条件下，ureC基因丰度早期达到峰值，而脲酶活性则随时间持续升高。
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pH介导金属生物有效性变化，驱动生态位竞争。
引言
脲解微生物能够通过脲酶将尿素水解为氨和二氧化碳，是土壤生物地球化学循环的基本驱动力。这一功能类群涵盖广泛的细菌、真菌和古菌，在好氧和厌氧条件下均可发挥作用，在氮素调控中扮演关键角色，能够将施用尿素肥料转化为植物可利用的铵态氮和硝态氮，从而驱动初级生产力。除氮素营养功能外，脲解微生物的生化活动还具有重要的环境意义。伴随氨的释放使土壤pH升高，这是微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）的核心机制（Omoregie等，2025；Leeprasert等，2022）。由于其高效性——脲酶可将尿素水解速率提高1014倍——以及通过固定污染物在重金属污染土壤生物修复中的应用，该过程引起了广泛的研究兴趣（Kumar等，2023）。此外，通过保留土壤系统中的氮素，这些微生物提高了农业氮肥利用效率，减轻了经济损失和大气污染。尽管其在修复领域的意义已被认可，但脲解微生物在土壤生态系统中的基本分布模式和群落组成仍未得到充分探索。深入了解其生态学特征对于充分发挥其在农业和环境生物技术中的潜力至关重要。
福建省是中国蜜柚产量最高的地区，但由于长期过量施肥，其果园面临严重的土壤酸化问题。作为中国的牡蛎主产区，福建拥有丰富的牡蛎壳资源，这为土壤改良提供了一种可持续策略。这些地区约90%的土壤pH低于5.0。如此强烈的酸性不仅直接限制作物生长，还增加了重金属的生物有效性和毒性，造成复合环境胁迫（Zamanian等，2024）。煅烧牡蛎壳粉主要由碳酸钙与有机成分和微量元素组成，能有效中和土壤酸性、改善土壤结构并缓解重金属毒性（Li等，2025a，Li等，2025b，Li等，2025c）。事实上，牡蛎壳的应用已被证明能够提高微生物多样性并重塑不同农业系统中的群落组装格局，如我们此前在蜜柚果园的研究（Li等，2025a，Li等，2025b，Li等，2025c）、葡萄园（Yang等，2025）以及水稻土（Beri等，2025）。然而，长期或过量施用可能导致土壤碱化。复杂的生产工艺和高加工成本等实际障碍进一步阻碍了其推广（Seo等，2019；Bi等，2026）。更根本的是，牡蛎壳粉添加对关键功能微生物群落的长期影响仍未得到充分探索。其中，脲解微生物对土壤pH变化尤为敏感，在尿素水解、氮循环和MICP中发挥重要作用。因此，我们假设牡蛎壳粉可缓解土壤酸化，进而直接调节脲解微生物群落的多样性和组成。评估这些群落及其对添加的响应对于阐明支撑土壤修复的微生物机制至关重要，从而为在重金属污染土壤中进行靶向MICP应用提供理论依据。
脲酶是脲解微生物产生的一种关键酶，是一种由结构蛋白和辅助蛋白组成的多亚基复合物。催化核心由结构基因ureA、ureB和ureC编码，其中ureC特异性编码包含活性位点、镍结合残基和维持酶功能关键保守区域的α亚基（Zhang等，2024）。因此，ureC被广泛用作检测脲解微生物的分子标记（Jin等，2017；Ouyang和Norton，2020；Sun等，2019）。然而，该方法仅限于靶向单一基因，通常缺乏精确分类学注释的分辨率。相比之下，宏基因组测序能够对环境样本中的遗传物质进行全面分析。该方法不仅有助于对脲酶相关基因进行功能注释，还能实现种水平以下的分类学分类。除结构基因外，辅助基因（如ureD、ureE、ureF、ureG）对于金属中心组装和酶原激活至关重要。然而，这些辅助基因在天然土壤群落中的组成和丰度仍未得到充分探索。宏基因组学为弥补这一知识空白提供了强大工具，为复杂环境中脲解微生物的遗传潜力和群落结构提供了整体视角（Lv等，2024；Hu等，2021）。
本研究首次对福建酸化蜜柚园土壤在牡蛎壳粉添加一年、两年和三年条件下的脲解微生物进行了全面的宏基因组学研究。研究旨在：(1) 表征脲酶基因的分布和丰度；(2) 利用ureABC基因作为标记分析脲解群落的多样分布模式；(3) 鉴定优势脲解类群并评估其对壳粉添加的差异响应；(4) 鉴定并解释脲解微生物与关键环境因子之间的相关性，包括土壤理化性质、酶活性和金属含量。我们的结果系统揭示了酸化和壳粉添加如何塑造脲解群落，识别了关键响应类群，并为理解酸化胁迫农业生态系统中微生物对改良措施响应机制建立了基础框架。
章节摘要
研究站点与采样
土壤样品取自中国福建省平和县（北纬24°22′6″，东经117°19′21″）的一处蜜柚种植园的多年期（2020–2023年）田间试验。土壤按美国农业部土壤分类系统归类为典型软红土。研究区属亚热带季风气候，年均气温约24 ℃。2021年总降水量为1041 mm，分别比2022年和2023年高出22%和23%
脲酶基因的分布与来源
对12个样本进行宏基因组测序，共产生9.89 GB数据。从鉴定出的总基因中，我们筛选了编码脲酶相关蛋白的基因，包括结构亚基（ureA、ureB、ureC）和辅助亚基（ureD/H、ureE、ureF、ureG、ureJ、noname）。不同牡蛎壳粉添加时长的脲酶相关基因丰度汇总如图1所示。在所有样本中，ureC（总读数为26,748）——即脲酶催化核心——丰度最高，其后为
环境过滤驱动的阶段性演替
在土壤生态系统中，有机质改良剂等新型资源的引入通常会触发可预测的微生物演替过程，初始阶段以快速生长的机会主义类群为主，随后逐渐向更稳定且功能整合的群落转变（Zegeye等，2019；Wang等，2024；Yu等，2025）。我们的结果支持这一模型，揭示了牡蛎壳粉添加后土壤脲解微生物群清晰的
结论
本研究揭示了酸化果园土壤添加牡蛎壳粉后脲解微生物群的两阶段演替模型。初始阶段由放线菌占优，随后稳定的阶段则以功能上针对尿素水解和整合氮循环优化的变形菌群落为主。土壤pH升高被确定为该演替的核心驱动力。ureC基因丰度与脲酶酶活性之间的解耦证实了
CRediT作者贡献声明
李圆圆：方法学、资金获取、形式化分析、数据管理、概念化。麦扬赛丽：方法学、调查、数据管理。张琼：方法学、形式化分析、数据管理。陈小煌：写作——审稿与编辑、可视化、验证、资金获取。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到福建省科学技术厅（2025J01975）和闽南师范大学校长基金（4206/L21918）的资助。
李圆圆|麦扬赛丽|张琼|陈小煌
