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        合作文章COOPERATION ARTICLE

        沙漠土壤可以通過微生物礦化作用固定大氣CO2

        來源:admin    發布時間:2020-07-21   閱讀數:1213

        美格基因客戶北京林業大學水土保持學院的張宇清教授及團隊的研究成果刊登在農林科學一區期刊Geoderma,張宇清教授為該論文的通訊作者,劉振為第一作者,本文通過高通量測序技術、掃描電鏡、X射線衍射光譜等對沙漠土壤中參與MCP過程的微生物以及MCP組成成份的表征形態、晶體形態進行了檢測分析,以對“沙漠土壤能通過微生物介導的碳質礦化過程對大氣CO2進行固定”的猜想進行證實和探討。跟著圖文詳解,一探究竟!

         

        Desert soil sequesters atmospheric CO2 by microbial mineral formation

        沙漠土壤可以通過微生物礦化作用固定大氣CO2


        作者: 劉振,張宇清等

        期刊: Geoderma

        時間:2019年12月10日

        影響因子:4.336

        關鍵詞:大氣CO2 ;碳吸收 ;碳質礦化 ;沙漠土壤 ;無機碳   


        一、研究背景

        約占地球陸地面積40%的旱地在大氣CO2水平調節和全球氣候變化中起著舉足輕重的作用。作為重要旱地地貌之一的沙漠,是繼陸地植物和土壤后的第三大碳庫,其蘊藏大量的無機碳(SIC)在全球碳循環中尤其重要。

        由于沙漠土壤極端的環境和較低的生物活性,SIC循環中微生物介導的碳酸鹽沉淀(MCP)過去十年中受到了密切的關注。有部分研究已經證實旱地土壤里MCP很有可能是土壤微生物通過固定大氣CO2礦化產生的,但對于沙漠土壤,是否確有微生物參與MCP過程,中間又發生了哪些微生物代謝過程,目前仍然沒有明確和詳實的研究數據。因此,本文作者通過高通量測序技術、掃描電鏡、X射線衍射光譜等對沙漠土壤中參與MCP過程的微生物以及MCP組成成份的表征形態、晶體形態進行了檢測分析,以對“沙漠土壤能通過微生物介導的碳質礦化過程對大氣CO2進行固定”的猜想進行證實和探討。


        二、實驗設計

        作者于寧夏毛烏素沙漠的6個樣點(20 m×20 m)在0-20 cm深度各取12份土壤(soil cores),混合后過2mm篩分成三份,分別用于無機碳去除、理化因子檢測以及土壤培養實驗接種材料。

        為排除非微生物對MCP干擾,準確測量微生物介導產生的SIC含量,對土壤進行了無機碳去除,同時等量的土壤提取液風干保存(220g)。隨后對處理和原始的樣本進行理化因子檢測,包括SIC(土壤無機碳)、SOC(土壤有機碳)濃度、pH和土壤顆粒大小等。

        為證實土壤微生物能夠利用大氣CO2產生無機碳,設計了13CO2同位素標記模型。把玻璃箱裝置(110 cm×60 cm×50 cm)的CO2排空,用NaH13CO3和H2SO4反應產生的13CO2作為標記,每周重復一次。在箱里共設置了(4處理組×6個土壤培養)共24個土壤培養樣本,分別為:處理土壤、滅菌土壤、處理土壤+滅菌培養基和滅菌土壤+滅菌培養基(培養基為了加強微生物礦化作用)。同時做了無13CO2源的另外一個培養裝置作為對照。25℃穩定培養2.5個月后檢測每個土壤樣本13C和SIC的含量,以及微生物介導和非生物過程的SIC含量。

        此外,對土壤樣本微生物群落功能的預測,在廣東美格基因協助下(Guangdong Magigene Biotechnology Co., Ltd.)進行了擴增子高通量測序,提取樣本DNA,對16S rRNA 基因V4區進行擴增檢測古菌和細菌群落,ITS2檢測真菌群落。測序數據質控后進行拼接、OTU聚類、物種注釋,做了α多樣性等分析,隨后用KEGG對古菌細菌基因功能進行了預測,用FUNGuild對真菌群落來源進行了預測。

        最后,對于微生物群落確有礦化作用且能沉淀礦化物晶體的證實,作者運用土壤芯片技術用SEM檢測了土壤樣本表面形態特征,EDX光譜檢測化學成份,XRD(Cu anode)檢測了礦化物成份的晶體類型。

        沙漠土壤可以通過微生物礦化作用固定大氣CO2實驗步驟和思路

        Figure 1. 實驗步驟和思路


        三、實驗結果

        1. 非生物和生物過程的SIC含量

        SIC含量檢測顯示,SIC生成速率和非生物(abiotic process)、微生物介導過程(microbial process)都有關系:ACs對照組中,非生物過程SIC生成速率高于生物介導過程,但無論是生物過程還是兩者兼有的過程中,SIC的產率在對照(ACs)和實驗組中(NAs)沒有顯著差異(Figure 2)。

        美格基因|生物過程、非生物過程SIC生成速率

        Figure 2. 生物過程、非生物過程SIC生成速率


        2. 礦化的微生物群落結構、功能預測和SIC產率關系

        群落結構分析顯示營養條件(NAs)顯著影響細菌和古菌群落的α多樣性,細菌包括observed species和Shannon指數,古菌包括observed species、Chao1和Shannon指數,對真菌群落則無顯著影響。細菌群落主要分布在Proteobacteria、Bacteroidetes和Chloroflexi,真菌為Ascomycota和Basidiomycota,古菌為Thaumarchaeota和Euryarchaeota(Figure 3)。

        美格基因|AC和NA條件下細菌、古菌和真菌群落結構(門水平)圖

        Figure 3. AC和NA條件下細菌、古菌和真菌群落結構(門水平)


        群落結構差異分析顯示營養條件只對細菌群落有顯著影響(p<0.05),對古菌和真菌則沒有?;蚬δ茴A測分析發現細菌包括光合作用、尿素分解、反硝化、氨氧化和硫酸鹽還原在內的代謝途徑在樣本中廣泛分布,基因占比0.47-0.64%(Figure 4),且涉及尿素分解、氨氧化和硫酸鹽還原的基因比前兩者過程的基因豐度高。營養模型分類顯示真菌類群主要是腐營養類,致病菌類和共生類(Figure 5)。

        美格基因|AC和NA下生物礦化主要代謝過程基因豐度熱圖

        Figure 4. AC和NA下生物礦化主要代謝過程基因豐度熱圖(KEGG)


        美格基因|真菌FunGuild預測物種豐度熱圖

        Figure 5. 真菌FunGuild預測物種豐度熱圖


        微生物群落結構、基因代謝潛能和SIC產率的關系顯示,生物介導部分,真菌群落和SIC產率有顯著相關性,細菌碳質礦化相關的代謝途徑基因和SIC產率也呈顯著相關性,真菌按照營養模式分類的物種則和兩種方式的SIC產率顯著相關(p均<0.05)(Table 2)。

        Table 2. 細菌代謝途徑功能潛能和真菌群落與生物、非生物SIC產率相關性

        美格基因|細菌代謝途徑功能潛能和真菌群落與生物、非生物SIC產率相關性表

         

        3. 礦化物形態結構鑒定

        用SEM和EDX對土壤微生物群落生成的礦化物進行檢測,原始樣本里的顆粒聚集在一起,表面粗糙,呈泥炭樣,主要成份為C,O,Si和Al元素,ACs的培樣土壤里,會在表面形成球狀物,主要成份為C,O,Al和Si,但對照無此現象,表現出和原始樣類似的形態特征且C含量遠遠小于實驗組;NAs里,土壤表面有很多球狀物產生,對照中同樣無此現象(Figure 6)。

        美格基因|土壤樣本SEM和EDX檢測圖

        Figure 6. 土壤樣本SEM和EDX檢測


        XRD顯示ACs有無微生物接種培養樣本中都含有石英、鈉長石、鈣鈉石和硅酸鋁鈣(Table 3),在NAs下,接種樣本主要含有方解石、石英、鈉長石和鈣鈉石,而無接種樣本中則無方解石成份。

        Table 3. AC和NA樣本礦化物含量檢測(XRD-based)

        美格基因|AC和NA樣本礦化物含量檢測圖


        四、結論

        本文中作者基于巧妙的實驗設計和豐富的檢測分析手段,對沙漠土壤室內培養樣品的SIC過程進行了追蹤和檢測,對參與礦化過程的微生物群落進行了功能預測,監測了礦化物的形態特征和含量,為證實“沙漠固有微生物能夠吸收大氣CO2通過礦化過程形成碳質礦化物”這一猜想提供了詳實的數據和有利的證據。該例是首個直接發現沙漠土壤微生物能夠通過礦化過程固定大氣CO2的研究,盡管碳質礦化物的組成成份仍需要進一步的研究。

        以上是論文的解讀內容,如您需要原文,請訪問: https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2019.114104




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