识别能够利用碳源缓解设施土壤次生盐碱化的活性硝酸盐吸收细菌

《Journal of Cleaner Production》：Identifying active nitrate-assimilating bacteria that alleviate secondary salinization in facility soil driven by carbon source availability

硝酸盐固定在次生盐渍化土壤中受碳源 amendments显著影响，葡萄糖和木屑处理7天内固定率分别达162.29和175.29倍，SIP技术鉴定出Halomonas和Streptomyces等优势菌群，rrn拷贝数与固定率呈显著正相关。

　　

钱 王|刘 琼|储 成|姜 雲斌|邓 慧|黄 新琦|韩 成|钟 文辉

中国南京师范大学气候系统预测与风险管理国家重点实验室，南京，210023

摘要

消除硝酸盐是修复设施土壤次生盐碱化的先决条件。通过微生物同化作用固定硝酸盐可以有效去除多余的土壤硝酸盐，这一过程受到碳源改良的调控。然而，活性硝酸盐同化菌类及其对碳源改良的响应仍不明确。¹⁵N标记的硝酸盐追踪研究表明，使用不同碳源（对照组、葡萄糖、木聚糖、纤维素、小麦秸秆、玉米芯、木粉和牛粪）改良的次生盐碱化土壤中，葡萄糖和木聚糖改良导致硝酸盐固定速率最快且最显著（7天内分别增加了162.29倍和175.29倍），其次是纤维素（26.84倍）和玉米芯（18.68倍）。硝酸盐消耗也表现出类似的趋势，葡萄糖/木聚糖改良处理下的残余NO₃^?-N显著较低。此外，这两种改良还导致更高的硝酸盐损失和N₂O排放。¹⁵N-DNA基稳定同位素探针（SIP）揭示了在高固定碳源下的独特硝酸盐同化菌群。具体而言，未分类的Halomonas和Photobacterium在葡萄糖/木聚糖改良下占主导地位，而未分类的Cellvibrio和Streptomyces分别在纤维素和玉米芯改良下繁盛。路径分析表明，影响固定速率的主要因素是硝酸盐同化细菌的群落水平核糖体RNA操纵子（rrn）拷贝数，其作用超过了多样性指数、群落组成和同化基因丰度。碳源可用性指标（包括初始溶解有机碳和M_C源（CO₂排放）通过刺激rrn拷贝数和同化基因丰度间接提高了硝酸盐固定速率。本研究鉴定了硝酸盐同化细菌，并揭示了群落水平rrn拷贝数作为驱动次生盐碱化土壤硝酸盐固定的关键功能特征。

引言

过去几十年里，全球温室种植面积迅速扩张，中国占全球总量的60%（Tong等人，2024年）。与露天种植相比，虽然温室种植产量更高、经济效益更好，但氮（N）的过度使用导致了大量的氮过剩，主要以硝酸盐（NO₃^?）的形式积累（Quan等人，2016年）。硝酸盐占阴离子的60–70%，是导致土壤盐碱化的首要离子，进而降低了作物的养分利用效率（Lu等人，2015年）。农业活动（如灌溉和土壤还原消毒）可以有效去除土壤中的硝酸盐污染（You等人，2021年；Zhang等人，2025年）；然而，这主要是通过将NO₃^?转移到地下或通过反硝化作用流失（Zhang等人，2025年）实现的。由于硝酸盐的高流动性，它容易从土壤层渗入水体或转化为氮气（Qin等人，2020年）。作为氮循环中的关键过程，微生物对硝酸盐的固定有助于将生物可利用的氮以移动性较低的微生物生物量形式保留下来，从而在增强土壤NO₃^?保持和减少硝酸盐渗漏损失方面发挥重要作用（You等人，2021年；Wang等人，2024年；Li等人，2020年）。

冬季覆盖作物和有机碳（C）改良（例如蔗糖、锯末和甘油）可以增强NO₃^?的固定（Szili-Kovács等人，2007年；De等人，2022年；van Midden等人，2025年）。

碳的可用性对这一过程起着关键作用（Tahovská等人，2013年；Ma等人，2021年），因为易分解的碳底物（例如淀粉）比难分解的化合物（例如纤维素）能提高26.3%的NO₃^?固定率（Ma等人，2021年）。其他研究还探讨了有机材料的更定性参数（例如C/N比、木质素、全纤维素、溶解有机碳（DOC）和木质素/N比）对NO₃^?固定的影响（Chen等人，2021年，2024b年）。最近的一项研究表明，CO₂衍生的碳矿化是预测微生物硝酸盐固定的更好指标，比C/N比或全纤维素含量更有效（Chen等人，2024b年），这与之前的观察结果一致，即碳矿化与硝酸盐固定之间存在显著相关性（Barrett和Burke，2000年；Bengtsson等人，2003年）。总体而言，这些发现表明，快速的NO₃^?固定受到可矿化有机底物和活跃微生物群落的促进。然而，碳源可用性对硝酸盐固定的影响以及在次生盐碱化设施土壤中驱动这一过程的活性微生物类群的影响仍有待探索。

硝酸盐同化微生物群落的组成以及不同碳源下同化物种的差异响应可能是控制硝酸盐固定的关键因素。¹⁵N-DNA基稳定同位素探针（SIP）是一种强大的技术，可用于追踪¹⁵N在微生物DNA中的掺入（Buckley等人，2007年）。利用这种方法，先前的研究表明，不同的同化菌具有不同的碳源偏好（Morrissey等人，2018年；Dong等人，2022年；Liu等人，2024年）。具体而言，玉米秸秆通过Bacteroidetes和Proteobacteria增强了旱地土壤中的NH₄⁺同化（Dong等人，2022年），而葡萄糖改良显著增加了混合针叶草甸土壤中Acidobacteria、Actinobacteria、Verrucomicrobia和Proteobacteria的NH₄⁺同化（Morrissey等人，2018年）。在有机施肥的旱地土壤中，固定NH₄⁺和NO₃^?的主要微生物群体之间仅有60%–67%的重叠（Liu等人，2024年）。然而，这些研究主要关注了活性NH₄⁺同化菌和单一碳源的添加。因此，在次生盐碱化设施土壤中，固定过量硝酸盐的关键微生物类群及其对多种碳源的响应尚未得到研究。

先前的研究表明，微生物群落水平的特征（例如丰度和群落组成）影响氮的固定（Heijboer等人，2016年；Liu等人，2024年；Tang等人，2024年）。然而，有两个限制因素影响了这些关联：首先，确定总微生物群落无法区分活跃和休眠的微生物，从而掩盖了功能关系（Walkup和Morrissey，2025年）；其次，由于微生物群落内的功能冗余，功能特征（例如基因丰度）比分类多样性更能准确预测土壤功能（Jia等人，2025a）。还有研究表明，单个微生物类群的生长和代谢在调节土壤功能（C过程）中起着更重要的作用（Cao和Zhu，2025年）。群落水平核糖体RNA基因操纵子（rrn）拷贝数是一种内在的功能特征，可以预测微生物的潜在生长速率（Zhou等人，2024年）。具有更高生长潜力的微生物群落可能有利于土壤NO₃^?的固定，因为这需要更多的生物量生产。然而，rrn拷贝数对氮（N）固定的影响尚未得到研究。为了解决这个问题，我们使用了¹⁵N-DNA稳定同位素探针来识别在不同碳源改良下次生盐碱化蔬菜土壤中的功能活跃微生物，包括有机材料（例如小麦秸秆、玉米芯、木粉和牛粪）和生化成分（例如葡萄糖、半纤维素和纤维素），这些碳源的生物可用性范围从易于利用的单体到难以分解的聚合物化合物不等。我们还揭示了活跃微生物群落的特征与NO₃^?固定过程之间的联系。本研究基于两个假设：（1）碳源的可用性，通过初始DOC和M_C源（CO₂排放）反映，驱动了活性NO₃^?同化类群和相关微生物群落特征的变化；（2）微生物功能特征（例如群落水平rrn拷贝数和硝酸盐同化基因的相对丰度）由于微生物功能冗余，在驱动硝酸盐固定速率方面超过了群落组成。这些结果从微生物角度加深了对碳源在促进硝酸盐固定中作用的理解。

部分摘录

土壤描述和采样

土壤样本采集自中国江苏省东台县（32°39′ N, 120°42’ E）。该地区属于北亚热带季风气候，年平均降水量为1061毫米，年平均温度为15摄氏度。该土壤属于Halosols类型，来源于海洋沉积物（Tian等人，2017年）。2023年9月，在种植生菜之前，从一块施用了两年化学氮（尿素）的温室田中采集了土壤样本（Li等人，2025年）。

碳源改良下土壤无机氮含量和¹⁵N同位素富集

经过7天和14天的培养后，所有碳源改良处理下的土壤NO₃^?-N含量均显著下降，而木粉和牛粪改良处理除外（图1a）。葡萄糖和木聚糖改良处理后的NO₃^?-N含量最低，纤维素、玉米芯和小麦秸秆改良处理后的含量较低（图1a）。与对照组相比，葡萄糖和木聚糖改良处理后的土壤NO₃^?-N含量在7天培养后分别下降了63.04%和70.32%

碳源改良引发了盐碱化土壤中的微生物

^3?固定^3?的微生物同化是去除硝酸盐的关键途径，这一点得到了所有碳源改良处理下土壤NO^3?含量与¹⁵N含量增加之间的显著正相关性的支持（图1d和图S1）。在本研究中，葡萄糖和木聚糖改良处理在第一周引发了最大的同化作用，分别固定了35.07%和46.66%的硝酸盐（图1，图2c）。相反，纤维素和玉米芯

结论

本研究鉴定了在四种高硝酸盐固定碳源改良下活跃的硝酸盐同化细菌。在易获得的碳源（葡萄糖和木聚糖）下，主导的类群具有76.9%的分类重叠，未分类的Halomonas和Photobacterium占主导地位，而纤维素和玉米芯改良则独特地富集了未分类的Cellvibrio和Streptomyces。

CRediT作者贡献声明

钱 王：撰写——初稿，可视化，方法学。刘 琼：可视化，方法学，概念化。储 成：方法学。姜 雲斌：撰写——审阅与编辑，概念化。邓 慧：撰写——审阅与编辑，概念化。黄 新琦：监督，资源提供。韩 成：撰写——审阅与编辑，方法学，资金获取，概念化。钟 文辉：撰写——审阅与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFD1902000）和国家自然科学基金（[授权号42277287，42077033]）的支持。我们感谢LetPub（www.letpub.com.cn）在本文准备过程中提供的语言协助。