微生物利用CO2的研究进展

微生物利用CO₂,这不仅提高了自然界碳的利用率,而且能将CO₂转化为高附加值产品,可以实现资源的再利用。利用现代生物技术改造微生物以提高CO₂的利用效率对生物制造和实现碳中和有一定的促进作用。本文首先总结了微生物利用CO₂的6个主要天然途径,并分析这些途径的优缺点,这是对相关途径进行改造的基础;其次提供克服天然途径中碳原子利用率低、能耗高、产品得率低等问题的方法;再次阐述了面向CO₂高效利用的合成生物技术研究方向以及途径改造的主要策略和效果;最后展望了微生物利用CO₂的机遇及挑战,以期为改造微生物提高CO₂利用效率和高附加值产品的生产奠定基础。     

西土寒宪蚓和三叉苦植物对大叶相思人工林土壤CO2通量的短期效应

西土寒宪蚓(Ocnerodrilus occidentalis)为广东人工林和撂荒地内广泛分布的外来种蚯蚓, 因其对水热、pH值及土壤有机质等的变化不敏感, 其分布范围有逐渐扩大的趋势。研究西土寒宪蚓对人工林碳循环的影响过程, 可以为如何减少外来蚯蚓影响下的人工林土壤碳排放提供思路。在广东鹤山大叶相思(Acacia auriculaeformis)人工林内设置外来蚯蚓和乡土植物野外控制实验, 利用静态箱-气相色谱法对土壤CO₂通量进行15天的原位测定。结果发现, 单独添加西土寒宪蚓及单独种植三叉苦(Evodia lepta), 对土壤CO₂通量的效应都不明显。植物物理过程(如遮阴作用等)、植物生物过程(如根际化学物质分泌过程等)及植物在未添加蚯蚓样方和添加蚯蚓样方中对土壤CO₂通量的效应分别为-32.1%、40.9%、8.8%和-7.2%、30.7%、23.5%。植物的物理过程抑制了土壤CO₂排放, 但提高了蚯蚓对土壤CO₂排放的促进作用(提高了39.3%)。植物的生物过程促进了土壤CO₂排放, 但减弱了蚯蚓对土壤CO₂排放的促进作用(降低了23.5%)。试验期间蚯蚓对多数土壤理化性质的影响并不明显, 但是蚯蚓的存在有增强土壤细菌活性的趋势, 而且使土壤CO₂通量与土壤理化性质的相关性更加密切了; 同时, 蚯蚓的存在也使土壤CO₂通量与土壤水热因子的关系发生了变化。可见, 森林土壤CO₂通量不仅与水热条件有关, 还受地上和地下生物过程的调控。如果只关注森林土壤CO₂通量的大小, 而忽略影响土壤CO₂产生及释放的生物学过程, 将无法找到减少森林土壤CO₂排放的有效途径。减缓人工林中土壤碳的排放, 必须综合考虑植物物理过程、植物生物过程以及蚯蚓对土壤CO₂排放过程的独立效应和交互效应。     

微藻生物固碳技术在“双碳”目标中的应用前景

微藻生长速度快、CO₂固定效率高,每生产1 t微藻生物质可固定1.83 t CO₂。同时,微藻还可将固定的CO₂转化为油脂、蛋白质、多糖、色素和不饱和脂肪酸等物质,能够实现CO₂的高值化利用。因此,微藻生物固碳技术在CO₂捕集和利用方面具有极大的发展潜能。本文首先阐述了高效固定CO₂藻株的选育、提高微藻生物固定CO₂的培养策略、微藻处理烟道气化合物技术、微藻高效培养光生物反应器的开发及新兴技术助力微藻碳减排等内容,再结合现阶段微藻生物固碳技术所面临的挑战,展望了微藻生物固定CO₂在“双碳”目标中的应用前景,以期为利用微藻高效固定CO₂、高值化利用CO₂提供参考,从而加速“双碳”目标的实现。     

蒙古栎叶片及其土壤碳、氮同位素自然丰度对大气CO2浓度升高的响应

大气CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程产生重要影响,研究其变化有助于更好地预测陆地生态系统的固碳潜力.氮同位素自然丰度作为生态系统氮素循环过程的综合指标能够有效地指示CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程的影响.本研究采用开顶箱CO₂ 熏蒸法研究连续10年的大气CO₂ 浓度升高对我国东北地区蒙古栎及其土壤和微生物生物量碳、氮同位素自然丰度的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高改变了土壤氮循环过程,增加了土壤微生物和植物叶片δ¹⁵N;促进了富¹³C土壤有机碳分解,中和了贫¹³C植物光合碳输入的效果,导致土壤可溶性有机碳和微生物碳δ¹³C在CO₂升高条件下没有发生显著变化.这些结果表明,CO₂浓度升高很可能促进了土壤有机质矿化过程,并加剧了系统氮限制的状态.     

蒙古栎叶片及其土壤碳、氮同位素自然丰度对大气CO2浓度升高的响应

大气CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程产生重要影响,研究其变化有助于更好地预测陆地生态系统的固碳潜力.氮同位素自然丰度作为生态系统氮素循环过程的综合指标能够有效地指示CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程的影响.本研究采用开顶箱CO₂ 熏蒸法研究连续10年的大气CO₂ 浓度升高对我国东北地区蒙古栎及其土壤和微生物生物量碳、氮同位素自然丰度的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高改变了土壤氮循环过程,增加了土壤微生物和植物叶片δ¹⁵N;促进了富¹³C土壤有机碳分解,中和了贫¹³C植物光合碳输入的效果,导致土壤可溶性有机碳和微生物碳δ¹³C在CO₂升高条件下没有发生显著变化.这些结果表明,CO₂浓度升高很可能促进了土壤有机质矿化过程,并加剧了系统氮限制的状态.     

玉米秸秆生物炭对秸秆腐熟进程、养分含量和CO2排放量的影响

生物炭具有良好的理化特性(富碳、呈碱性、孔隙丰富),能够有效调节其所在系统的理化性质.通过室内培养试验研究了玉米秸秆生物炭对玉米秸秆腐熟进程以及腐熟产物的理化性质、养分含量和CO₂气体排放的影响.试验设置4个处理:对照(CK);生物炭添加量5%(B₁,生物炭干基质量占玉米秸秆腐熟体系的干基质量分数);生物炭添加量10%(B₂);生物炭添加量20%(B₃).结果表明: 生物炭能够提高秸秆腐熟体系的升温速率和温度峰值,加快秸秆腐熟进程;生物炭能够提高秸秆腐熟过程中微生物活跃时期的pH值,提高秸秆腐熟体系的电导率(EC),为微生物降解有机物提供更适宜的环境;生物炭能够促进秸秆腐熟体系有机质的降解,增加秸秆腐熟体系的总养分含量,提高秸秆腐熟产物的品质.另外,随着生物炭添加量的提高,氮(N)含量没有显著变化,磷(P₂O₅)含量和钾(K₂O)含量都显著提高.其中,B₃处理的P₂O₅和K₂O含量较CK分别提高了0.2%和0.9%.生物炭添加能够提高秸秆腐熟体系CO₂的排放通量,且CO₂排放通量与温度的变化趋势一致,进一步说明生物炭能够提高微生物降解有机物的强度.     

玉米秸秆生物炭对秸秆腐熟进程、养分含量和CO2排放量的影响

生物炭具有良好的理化特性(富碳、呈碱性、孔隙丰富),能够有效调节其所在系统的理化性质.通过室内培养试验研究了玉米秸秆生物炭对玉米秸秆腐熟进程以及腐熟产物的理化性质、养分含量和CO₂气体排放的影响.试验设置4个处理:对照(CK);生物炭添加量5%(B₁,生物炭干基质量占玉米秸秆腐熟体系的干基质量分数);生物炭添加量10%(B₂);生物炭添加量20%(B₃).结果表明: 生物炭能够提高秸秆腐熟体系的升温速率和温度峰值,加快秸秆腐熟进程;生物炭能够提高秸秆腐熟过程中微生物活跃时期的pH值,提高秸秆腐熟体系的电导率(EC),为微生物降解有机物提供更适宜的环境;生物炭能够促进秸秆腐熟体系有机质的降解,增加秸秆腐熟体系的总养分含量,提高秸秆腐熟产物的品质.另外,随着生物炭添加量的提高,氮(N)含量没有显著变化,磷(P₂O₅)含量和钾(K₂O)含量都显著提高.其中,B₃处理的P₂O₅和K₂O含量较CK分别提高了0.2%和0.9%.生物炭添加能够提高秸秆腐熟体系CO₂的排放通量,且CO₂排放通量与温度的变化趋势一致,进一步说明生物炭能够提高微生物降解有机物的强度.     

秸秆、氮肥和食细菌线虫交互作用对土壤活性碳氮和温室气体排放的影响

采用3因素2水平交互设计室内恒温培养试验,通过调控秸秆施用、氮肥用量及食细菌线虫,探讨三者对土壤微生物生物量碳氮(C_mic和N_mic)、可溶性碳氮(DOC、DON)、矿质氮(NH₄⁺-N和NO₃^--N)及温室气体排放(CO₂、N₂O和CH₄)的交互影响.结果表明： 施用秸秆显著增加了食细菌线虫数量、C_mic和N_mic,而随着氮肥用量增加,C_mic和N_mic降低,食细菌线虫对C_mic和N_mic的影响则依赖于秸秆和氮肥用量.秸秆、氮肥和食细菌线虫对可溶性碳氮和矿质氮表现出强烈的交互作用,其中秸秆和氮肥均增加了DOC、NH₄⁺ -N和NO₃^--N;食细菌线虫对DOC的抑制作用和对矿质氮的促进作用达到显著水平.秸秆处理对CO₂、N₂O的促进及对CH₄的抑制均达到显著水平,而线虫和氮肥的影响则更多表现出交互作用.在培养第56天,有秸秆时,低量氮肥下食细菌线虫显著促进了CO₂的排放,而高量氮肥下则表现出对CO₂和N₂O显著的抑制作用.总之,土壤生态功能的发挥不可忽视土壤动物的作用.     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

基于稳定碳同位素技术研究大气CO2浓度升高对植物-土壤系统碳循环的影响

大气CO₂浓度升高影响植物光合作用过程和生物量积累,改变植物地上和地下生物量的动态分配.土壤有机质的形成和周转依赖于植物组分的输入,因此,CO₂浓度升高所造成的植物生理和代谢的变化对土壤碳库收支平衡具有重要影响.采用稳定碳同位素(¹³C)技术研究土壤-植物系统的碳循环可阐明大气CO₂浓度升高条件下光合碳在植物各器官的分配特征和时间动态,明确光合碳在土壤中的积累、分解与迁移转化过程以及对土壤有机碳库周转的影响.本文综述了基于¹³C自然丰度法或¹³C示踪技术研究大气CO₂浓度升高对土壤-植物系统碳循环的影响,主要包括:1)对植物光合作用的同位素分馏的影响;2)对植物光合碳(新碳)分配动态的影响;3)对土壤有机碳新老碳库动态以及微生物转化过程的影响.明确上述过程及其调控机制可为预测CO₂浓度升高对陆地生态系统碳循环及源汇效应的长期影响奠定基础.     

生物炭对茶园土壤CO2和N2O排放量及微生物特性的影响

以茶叶修剪物制备的生物炭为试验材料,采集多年种植茶树的酸化土壤进行室内培养试验,探究以0.5%、1.5%、2.5%和3.5%的不同生物炭比例添加至茶园土壤中,对茶园土壤CO₂和N₂O气体排放、pH值和微生物群落的影响.结果表明： 与空白对照处理相比,生物炭添加在短期内对CO₂和N₂O气体排放具有一定的促进作用,增强C、N的矿化率,但促进作用随着生物炭施用量的增加而减弱.不同生物炭处理对土壤pH值、脱氢酶及微生物生物量碳具有增加作用.检测土壤中不同标记的磷脂脂肪酸PLFA发现,添加1.5%的生物炭处理组中土壤磷脂脂肪酸含量最高,为(203.93±3.14) μg·g^-1,与对照差异显著(P<0.05).其中16:0、14:0(细菌)、18:1ω9c(真菌)、10Me18:0(放线菌)标记含量较高,不同处理的单个磷脂脂肪酸含量差异显著(P<0.05).表明添加生物炭能改善茶园酸性土壤,提升土壤微生物生物量及微生物数量.     

龙须菜养殖对深澳湾表层水体pCO2 的影响

根据2014 年2-5、7 月在深澳湾获得的表层海水总碱度和pH 值, 结合水文、天气、海湾养殖情况等因素, 以探讨海区CO₂ 收支计算方法为主要目的, 研究了汕头市南澳县龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)养殖对深澳湾表层水CO₂ 体系空间分布特征的影响。结果显示: 2014 年2、4、7 月深澳湾为CO₂ 的汇区, 3、5 月为CO₂ 的源区。相比浮游植物, 2014 年2、3、5 月龙须菜对CO₂ 吸收贡献率分别为62.90%、71.19%和52.20%。4 月赤潮爆发, 叶绿素a 含量高达16.65 μg·L^–1, 此时龙须菜光呼吸作用变强, 吸收O₂ 同时释放CO₂, 浮游植物成为深澳湾主导生物, 对CO₂ 的吸收占主导地位。通过区域对比, 发现龙须菜养殖区水体的pCO₂ 和DIC 都比非养殖区的低, 相比鱼、贝养殖区, 藻类养殖区更有可能成为CO₂ 的汇区。     

生物炭对茶园土壤CO2和N2O排放量及微生物特性的影响

以茶叶修剪物制备的生物炭为试验材料,采集多年种植茶树的酸化土壤进行室内培养试验,探究以0.5%、1.5%、2.5%和3.5%的不同生物炭比例添加至茶园土壤中,对茶园土壤CO₂和N₂O气体排放、pH值和微生物群落的影响.结果表明： 与空白对照处理相比,生物炭添加在短期内对CO₂和N₂O气体排放具有一定的促进作用,增强C、N的矿化率,但促进作用随着生物炭施用量的增加而减弱.不同生物炭处理对土壤pH值、脱氢酶及微生物生物量碳具有增加作用.检测土壤中不同标记的磷脂脂肪酸PLFA发现,添加1.5%的生物炭处理组中土壤磷脂脂肪酸含量最高,为(203.93±3.14) μg·g^-1,与对照差异显著(P<0.05).其中16:0、14:0(细菌)、18:1ω9c(真菌)、10Me18:0(放线菌)标记含量较高,不同处理的单个磷脂脂肪酸含量差异显著(P<0.05).表明添加生物炭能改善茶园酸性土壤,提升土壤微生物生物量及微生物数量.     

异养微生物固定CO2的合成生物学研究进展

人类活动造成大气二氧化碳（CO₂）浓度不断升高,使当今世界面临着气候变化的重大危机。微生物CO₂固定为实现地球“碳中和”提供了一条有前景的绿色发展路线。与自养微生物相比,异养微生物具有更快的生长速度和更先进的遗传工具,但是其固定CO₂的能力还很有限。近年来,基于合成生物学技术强化异养微生物CO₂固定受到诸多关注,主要包括优化能量供给、改造羧化途径以及基于异养微生物间接固定CO₂。本综述将围绕上述3个方面重点讨论异养微生物CO₂固定的研究进展,为将来更好地利用微生物CO₂固定技术实现“碳达峰、碳中和”提供参考。     

短期CO2浓度升高和干旱胁迫对白羊草土壤碳氮和微生物根际效应的影响

采用人工气候室和盆栽控水试验研究黄土丘陵区典型草本植物白羊草在倍增CO₂浓度(800 μmol·mol^-1)下和充分供水(75%～80%的田间持水量)、轻度干旱胁迫(55%～60%的田间持水量)和重度干旱胁迫(35%～40%的田间持水量)下根际和非根际土壤碳氮含量和微生物群落结构及其根际效应.结果表明: CO₂浓度升高和干旱胁迫对白羊草根际和非根际土壤有机碳、全氮和水溶性有机碳(DOC)含量及其根际效应均无显著影响.轻度干旱胁迫下CO₂浓度升高显著促进了根际土壤水溶性有机氮(DON)的消耗,导致DOC/DON升高,提高了DON的负根际效应和DOC/DON的正根际效应.干旱胁迫和CO₂浓度升高对土壤总磷脂脂肪酸(总PLFA)和细菌PLFA的根际效应无显著影响.CO₂浓度升高条件下干旱胁迫显著提高了根际土壤G⁺/G^- PLFA,降低了非根际土壤G⁺/G^- PLFA,导致其根际效应显著提高,表明根际微生物群落由自养微生物群落向异养微生物群落的转变.     

短期CO2浓度升高和干旱胁迫对白羊草土壤碳氮和微生物根际效应的影响

采用人工气候室和盆栽控水试验研究黄土丘陵区典型草本植物白羊草在倍增CO₂浓度(800 μmol·mol^-1)下和充分供水(75%～80%的田间持水量)、轻度干旱胁迫(55%～60%的田间持水量)和重度干旱胁迫(35%～40%的田间持水量)下根际和非根际土壤碳氮含量和微生物群落结构及其根际效应.结果表明: CO₂浓度升高和干旱胁迫对白羊草根际和非根际土壤有机碳、全氮和水溶性有机碳(DOC)含量及其根际效应均无显著影响.轻度干旱胁迫下CO₂浓度升高显著促进了根际土壤水溶性有机氮(DON)的消耗,导致DOC/DON升高,提高了DON的负根际效应和DOC/DON的正根际效应.干旱胁迫和CO₂浓度升高对土壤总磷脂脂肪酸(总PLFA)和细菌PLFA的根际效应无显著影响.CO₂浓度升高条件下干旱胁迫显著提高了根际土壤G⁺/G^- PLFA,降低了非根际土壤G⁺/G^- PLFA,导致其根际效应显著提高,表明根际微生物群落由自养微生物群落向异养微生物群落的转变.     

大气CO2浓度和温度升高对作物生理生态的影响

论述了大气CO₂浓度和温度升高下的植物生长、光合作用、产量以及水分养分利用效率等方面的研究进展.未来高CO₂浓度下,光合作用速率有不同程度的提高,生物量和产量增加;气孔导度降低,水分利用效率(WUE)提高;一般地上部分和根系尤其是细根生物量增加,凋落物量随之增加,C/N比率提高,植物残体的腐解速率降低.CO₂浓度升高后,会给根际微生物带来更多的底物,从而提高了微生物活性,加速养分的矿化过程,改善植物的养分状况.     

库布齐沙漠东部不同生物结皮发育阶段土壤温室气体通量

以流动沙地为对照,采用时空替代法分析库布齐沙漠东部固定沙地上不同发育阶段生物结皮藻类结皮和地衣结皮土壤温室气体通量特征及其与环境因子之间的关系,研究生物结皮发育对荒漠土壤温室气体通量的影响.结果表明: 荒漠土壤CO₂排放通量大小为地衣结皮(128.5 mg·m^-2·h^-1)>藻结皮(70.2 mg·m^-2·h^-1)>流动沙地(48.2 mg·m^-2·h^-1),CH₄吸收通量大小为地衣结皮(30.4 μg·m^-2·h^-1)>藻结皮(21.2 μg·m^-2·h^-1)>流动沙地(18.2 μg·m^-2·h^-1),N₂O排放通量大小为地衣结皮(6.6 μg·m^-2·h^-1)>藻结皮(5.4 μg·m^-2·h^-1)>流动沙地(2.5 μg·m^-2·h^-1).CO₂排放具有明显的季节变化,生长季显著大于非生长季;CH₄和N₂O季节变化差异不显著,前者生长季吸收大于非生长季,后者非生长季排放大于生长季.土壤有机碳和全氮含量、土壤微生物数量均是影响温室气体通量的重要因素,环境水热因子是影响土壤CO₂排放的关键因子,但CH₄和N₂O通量对水热因子的变化不敏感.随着植被恢复和生物结皮发育,荒漠土壤温室气体累积通量的不断增大导致其百年尺度的全球增温潜势亦显著提高,依次为地衣结皮(1135.7 g CO₂-e·m^-2·a^-1)>藻结皮(626.5 g CO₂-e·m^-2·a^-1) >流动沙地(422.7 g CO₂-e·m^-2·a^-1).     

土壤CO2浓度的动态观测、模拟和应用

土壤CO₂浓度不仅是地上、地下生物活动的反映,其变化对未来大气CO₂浓度和气候变化也有重要影响.本文综述了国内外土壤CO₂浓度的原位测定方法及其优缺点,分析了不同时(昼夜、几天、季节、年际)空(剖面、立地、景观)尺度上土壤CO₂浓度的变化规律和影响因素,概括了现有土壤CO₂浓度的模拟模型和发展态势,并总结了土壤CO₂浓度梯度法在土壤呼吸研究中的应用和限制因素.最后展望了未来有待研究的4个领域：1)研发适于恶劣土壤环境(如淹水、石质土)的土壤CO₂气体采集、测定技术;2)探讨土壤CO₂浓度对天气变化的响应及其调控机理;3)加强土壤CO₂浓度空间异质性的研究;4)扩大通量梯度法在热带、亚热带土壤呼吸测定中的应用.     

微生物多样性损失对农田土壤CO2和N2O排放功能稳定性的影响

生物多样性与生态系统稳定性的关系一直是生态学领域的研究热点，然而已有研究主要关注地上植物系统，对地下土壤系统尚不够重视。本研究通过逐步稀释法获得3种微生物多样性不同的土壤悬液(10⁰、10^-2、10^-6),重新接种后考察农田黑土与红壤CO₂和N₂O排放功能在铜污染和热胁迫下的稳定性(用抵抗力和恢复力来表征)。结果表明：黑土CO₂排放的功能稳定性在不同微生物多样性处理下没有差异，N₂O排放对铜污染和热胁迫的抵抗力和恢复力均在10^-6多样性处理下发生明显下降；红壤N₂O排放对铜污染和热胁迫的抵抗力和恢复力在10^-2多样性处理下开始显著下降，而CO₂排放的功能稳定性在10^-6多样性处理下显著下降。说明微生物多样性损失对农田土壤功能稳定性的影响会因土壤类型和所选取的土壤功能而不同，当土壤养分含量较高、微生物群落中耐胁迫种类较多时，土壤...