基于纤维素降解菌与蚯蚓粪协同作用的城市绿地土壤肥力提升机制研究

《Frontiers in Microbiology》：Enhancing soil fertility in urban green spaces via cellulolytic microbial-organic synergies

本研究通过盆栽实验证明，蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）B9与蚯蚓粪（vermicompost）协同施用可显著提升城市绿地（UGSs）土壤的有机质转化效率。该联合处理（VB9）通过激活纤维素酶（cellulase）活性、富集纤维素降解菌群（如Bacillus和Sphingomonas）、促进异化硝酸盐还原成铵（DNRA）途径，有效加速凋落物分解并提高土壤铵态氮（NH4+-N）和碱解氮（AN）含量。非靶向代谢组学进一步揭示VB9处理上调了淀粉、蔗糖和氮代谢通路。研究为微生物-有机协同修复城市土壤提供了理论依据和实践策略。

　　

1 引言

城市绿地（UGSs）在维持生物多样性、调节微气候和改善空气质量方面具有重要作用。然而，UGSs土壤常因植物凋落物中纤维素和木质素含量高而导致有机质转化缓慢、养分循环受限。蚯蚓粪作为有机改良剂虽能改善土壤结构并提供养分，但其单独使用对顽固性凋落物的分解效果有限。微生物接种剂（如解磷菌和固氮菌）在农业土壤中应用广泛，但针对城市土壤纤维素降解的微生物研究尚不充分。本研究假设将具有纤维素降解能力的蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）B9与蚯蚓粪联合施用，可通过微生物-有机协同作用增强UGSs土壤的凋落物分解和养分循环。

2 材料与方法

实验土壤采自上海师范大学绿地表层（0–15 cm），凋落物为同期采集的落叶（纤维素24%、半纤维素17%、木质素14%）。设4个处理：对照（CK）、单独接种B9（B9）、单独添加蚯蚓粪（V）、B9与蚯蚓粪联合（VB9），进行90天盆栽实验。通过测定凋落物分解速率常数（k）、纤维素酶活性、土壤养分（NH₄⁺-N、NO₃^?-N、AN、AP、AK）及微生物群落结构（16S rRNA测序）评估处理效果。对B9菌株进行全基因组测序和酶活验证，并采用非靶向代谢组学分析土壤代谢物变化。

3 结果

3.1 B9与蚯蚓粪协同促进凋落物分解

VB9处理显著提高了凋落物分解速率常数（k）和纤维素降解率（CDR），且降解率与凋落物质量损失呈正相关。单独施用B9或蚯蚓粪虽有一定效果，但均低于联合处理。

3.2 B9的基因组与酶活特征

B9基因组携带GH1和GH8家族基因，编码β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase）和内切葡聚糖酶（endoglucanase）。发酵液酶活检测显示其β-葡萄糖苷酶、羧甲基纤维素酶（CMCase）和滤纸活性（FPA）最高分别达4.24 U/mL、13.51 U/mL和11.60 U/mL。VB9处理下土壤纤维素酶活性显著提升。

3.3 土壤养分与氮转化增强

VB9处理使土壤AN和NH₄⁺-N分别提高21.4%和59.9%，并降低pH值。基因组注释发现B9携带DNRA途径关键基因（narG、nirB等），验证实验证实其可将NO₃^?-N转化为NH₄⁺-N。相关性分析显示NH₄⁺-N和AN与凋落物分解速率呈正相关。

3.4 微生物群落结构变化

VB9处理提高了细菌丰富度（ACE指数），NMDS分析显示其群落结构与CK显著分离。B9和VB9处理中Bacillus和Sphingomonas等纤维素降解菌相对丰度增加，且与NH₄⁺-N、AP含量正相关。网络分析表明VB9简化了微生物共现网络但提高了节点连接度。FAPROTAX预测显示硝酸盐还原和纤维素降解功能增强。

3.5 土壤代谢组学响应

VB9处理引起土壤代谢物显著变化，62种阳离子和21种阴离子代谢物上调。差异富集通路包括淀粉和蔗糖代谢、氮代谢等，其中海藻糖、L-谷氨酸等代谢物含量升高，表明碳氮代谢活性增强。

4 讨论

VB9的协同效应源于蚯蚓粪提供的营养基质与B9纤维素酶活的互补。B9通过DNRA途径促进铵态氮积累，缓解了降解过程中的氮限制。群落结构优化和代谢通路上调进一步强化了有机质转化效率。该策略为UGSs土壤修复提供了微生物-有机协同的新思路。

5 结论

B9与蚯蚓粪联合施用通过激活酶活、调控微生物群落和代谢通路，显著提升UGSs土壤的凋落物分解和养分循环效率。未来需开展田间试验验证该策略的长期稳定性及生态适应性。