《Microorganisms》：Dairy Sites with Milk Exposure Are Most Likely to Have Detection of Influenza A Virus
Chloe Stenkamp-Strahm,
Brian McCluskey,
Blaine Melody,
Natalie Urie,
Nicole Amey,
Richanne Lomkin,
A. J. Campbell,
Seema Lakdawala and
Jason Lombard
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本研究通过为期1年与3年的盆栽实验，深入探讨了两种功能微生物菌剂（Bacillus thuringiensis (NL-11) 与 Gongronella butleri (NL-15)）在有无植物存在条件下，对土壤团聚体结构、养分含量、微生物生物量（MBC、MBN、MBP）及酶活性的影响。结果表明，微生物接种的效应具有显著的时间和植物依赖性。长期接种在植物存在时能显著提高大团聚体比例和平均重量直径（MWD），增强团聚体稳定性。特别是在三年无植物条件下，NL-15显著提升了团聚体中有机碳（SOC）、全氮（TN）含量（增幅55-59%）及土壤碳磷比（C/P）和氮磷比（N/P）。相关性分析揭示了土壤C-N-P库、微生物生物量与酶活性间紧密的化学计量耦合关系。本研究为理解功能微生物接种如何通过调节微生物代谢特征和酶分配策略，进而促进团聚体尺度养分循环恢复提供了新见解。
1. 引言
土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其稳定性与养分的储存和保护密切相关。微生物通过分泌胞外酶（如纤维素酶、蛋白酶、磷酸酶等）驱动碳、氮、磷的循环。功能微生物接种被广泛应用于土壤修复，但其对团聚体尺度养分循环，特别是养分平衡与限制的影响尚不清楚。本研究基于生态化学计量学理论，旨在评估苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis, NL-11）和布特勒戈氏霉（Gongronella butleri, NL-15）两种微生物接种剂在不同时间尺度和植物存在条件下，如何影响土壤团聚体中碳、氮、磷的生态化学计量。
2. 材料与方法
本实验在中国江苏省镇江市句容市下蜀镇南京林业大学下蜀林场的温室内进行。供试土壤为砂壤土。试验植物为紫穗槐（Amorpha fruticosa）。研究包含长期（3年）和短期（1年）两个盆栽实验。长期实验设置六种处理，包括NL-11有植物、NL-11无植物、NL-15有植物、NL-15无植物，以及对应的不接种对照组（有植物和无植物）。短期实验仅评估NL-11的影响，设置四种处理。实验结束后，采集土壤样品，进行团聚体分级，并测定各粒级团聚体中的土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、微生物生物量碳/氮/磷（MBC、MBN、MBP）以及多种胞外酶（β-1,4-葡萄糖苷酶 (BG)、转化酶 (invertase)、β-1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶 (NAG)、脲酶 (urease)、酸性磷酸酶 (acid phosphatase)）的活性。采用线性混合效应模型（LMMs）分析各因素的影响。
3. 结果
3.1. 团聚体粒径分布与平均重量直径 (MWD)
结果显示，接种在无植物条件下对团聚体粒径分布和平均重量直径 (MWD) 无显著影响。然而，在有植物存在的条件下，接种显著改变了土壤结构。在1年实验中，NL-11显著影响了大于2毫米和小于0.25毫米团聚体的比例以及平均重量直径 (MWD)。在3年实验中，NL-11和NL-15处理均显著改变了大于2毫米和0.25-2毫米团聚体的比例以及平均重量直径 (MWD)。
3.2. 土壤养分及其化学计量特征
在三年无植物条件下，与对照相比，NL-15接种显著增加了大团聚体和中团聚体中的土壤有机碳（增加56-59%）、全氮（增加55-59%）以及碳磷比（C/P）和氮磷比（N/P），而NL-11接种则主要显著提高了全氮含量（增加54-57%）。简化模型分析表明，实验时间是调控土壤养分含量及其化学计量比的主导因素。微生物接种显著影响了土壤养分水平以及碳氮比（C/N）和碳磷比（C/P）。植物存在显著影响了土壤全氮和碳氮比，并对碳磷比和氮磷比有极显著影响。此外，接种与时间、接种与植物之间存在显著的交互作用。简单效应分析进一步揭示，NL-11在1年实验中降低了土壤有机碳和全磷，但增加了碳磷比；而在3年实验中，其效应方向发生逆转，全氮显著增加。NL-15在3年实验中的效应与NL-11基本一致。植物存在显著调节了微生物接种的效应。在有植物条件下，NL-15降低了土壤有机碳和全氮，并将碳磷比和氮磷比的响应从增加逆转为降低。这些结果表明，微生物接种以强烈的时间和植物依赖性方式改变了土壤养分化学计量。
3.3. 微生物生物量动态与化学计量稳定性
在1年无植物、大团聚体条件下，与对照相比，NL-11接种显著增加了微生物生物量磷（MBP，增幅高达170%），并显著降低了微生物生物量碳磷比（MBC/MBP）和氮磷比（MBN/MBP）。简化模型表明，时间是影响几乎所有微生物生物量变量及其化学计量比的最主要因素。接种与时间的交互作用是驱动微生物生物量变化的关键因素，对微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物生物量磷有显著影响。简单效应分析显示，NL-11对微生物生物量碳和微生物生物量氮的影响表现出时间依赖性逆转，即在1年实验中增加，而在3年实验中转为降低效应。NL-11仅在1年实验中显著增加了微生物生物量磷，在3年实验中则无显著影响。微生物生物量响应的这种时间逆转，暗示了微生物养分限制随时间发生了转变。
3.4. 酶活性及其化学计量比
在三年无植物、大团聚体条件下，与对照相比，NL-11和NL-15接种均显著增加了转化酶活性（增加80-124%）。在三年有植物、大团聚体条件下，NL-15显著增强了NAG活性（增加42%），且两种接种剂均显著提高了酸性磷酸酶活性（增加33-48%）。简化模型分析表明，时间、植物和接种剂是驱动酶活性及其化学计量比变化的主要因素。植物与接种剂的交互作用是调节酶活性响应的关键驱动因子。进一步的简单效应分析指出，植物存在显著改变了接种对酶活性的影响方向。具体而言，NL-15在无植物条件下降低了NAG活性，但在有植物条件下则呈现增加趋势。两种接种剂在有植物条件下均显著增强了酸性磷酸酶活性，而它们对酶活性碳磷比和氮磷比的刺激效应在植物存在时明显减弱或逆转。酶活性及化学计量比的变化反映了微生物在养分获取策略上的调整。
3.5. 土壤养分、微生物生物量与酶分配间的化学计量耦合
相关性分析揭示了土壤养分、微生物生物量与胞外酶活性之间存在强烈的化学计量耦合关系。土壤有机碳与全氮、全磷及土壤化学计量比（C/N、C/P）呈显著正相关。微生物生物量碳氮比与多种土壤养分和酶活性呈正相关，而微生物生物量碳磷比和氮磷比则与大多数养分和酶变量呈负相关。除脲酶外，其他胞外酶（BG、转化酶、NAG、酸性磷酸酶）彼此之间均呈正相关，并与土壤有机碳、全氮及其化学计量比总体呈正相关。在酶化学计量水平，酶活性碳氮比与碳磷比显著正相关，而酶活性氮磷比与碳氮比显著负相关，反映了不同养分获取策略间的协调与权衡。
4. 讨论
本研究结果强调了微生物接种效应的强烈时间依赖性。实验早期，接种微生物可能与本地微生物群落竞争，并通过分解有机物来支持自身生长，导致短期内土壤有机碳、全氮、全磷的减少。随着时间推移，当微生物群落趋于更稳定状态时，接种剂通过固碳、固氮和活化磷等过程改善了土壤资源可利用性。对团聚体粒径分布和平均重量直径 (MWD) 的分析表明，团聚体分布的差异主要出现在有植物条件下，而无植物处理中结构变化极小。这暗示土壤物理结构的变化可能并非源于直接的接种驱动团聚过程，而是由植物-微生物相互作用介导的。土壤微生物通过分泌胞外酶获取资源以生产生物量，其生长受土壤养分有效性的限制。本研究发现微生物生物量碳、氮、磷在1年阶段有所增加，但在3年阶段则下降。这可能是因为接种初期，土壤有机质的快速分解释放出大量养分，刺激了微生物生物量的积累；而在较长时间后，微生物群落趋于稳定，土壤养分有效性下降对微生物形成养分限制，导致生物量减少。微生物生物量化学计量保持相对稳定，微生物主要通过调整酶活性而非改变其生物量组成来应对土壤养分限制。植物存在与微生物接种之间的显著交互作用表明，根际条件调控了接种剂的功能效应。植物与微生物接种共同存在增加了有机质消耗，反映了植物和微生物对能量和养分的高需求。酶活性（尤其是磷酸酶）的增加，以及土壤碳磷比和氮磷比的下降，表明植物-微生物相互作用在长期有助于缓解土壤养分限制。相关性分析进一步阐明了土壤碳、氮、磷库及其化学计量比之间的协调关系。微生物生物量碳氮比与土壤养分和酶活性的正相关，以及与微生物生物量碳磷比、氮磷比的负相关，对应于不同养分条件下微生物养分分配状态的转变。BG、转化酶、NAG和酸性磷酸酶之间的正相关，表明酶活性存在协同变化，这可能反映了土壤微生物系统内部协调的功能响应。
5. 结论
本研究表明，微生物接种在植物存在时显著改变了土壤物理结构，植物-微生物相互作用明显增强了团聚体稳定性。时间是调节土壤碳-氮-磷动态的主导因素，而接种效应在早期和后期阶段存在差异。短期来看，NL-11促进了碳周转和磷释放；长期而言，则有利于碳和氮的积累。两种接种剂之间的差异也很明显：NL-11主要影响土壤养分有效性和微生物生物量响应，而NL-15对酶活性具有更强的调节作用。植物存在进一步修饰了接种响应，凸显了植物-微生物相互作用在土壤养分调节中的重要性。微生物生物量和酶化学计量比的变化表明，微生物主要通过调整与碳、氮、磷获取相关的酶投资来应对环境限制。总体而言，功能微生物接种主要通过微生物和酶学过程影响土壤养分分配和碳-氮-磷循环，这为理解其在退化土壤长期恢复中的潜在作用提供了见解。
6. 研究局限性
本研究使用微生物生物量和胞外酶活性作为功能指标来评估微生物对接种的响应。这些测量反映了综合的微生物过程，但并未提供关于微生物群落组成、接种剂持久性或功能基因动态的直接分子证据。因此，机制性解释应被视为基于功能的，而非分类学上解析的。此外，基于盆栽的实验设计可能无法完全代表田间尺度的土壤复杂性。未来整合分子方法和田间验证的研究将有助于进一步阐明团聚体尺度养分化学计量响应的潜在机制。
