氮肥的使用虽然提高了作物产量，解决了20世纪初由于氮素限制导致的粮食低产问题，但同时也带来了环境问题。Haber-Bosch工艺的发明使得大气中的氮气得以转化为氨，极大地推动了农业生产，但也使得农民能够无节制地使用氮肥，导致大量氮素流失到环境中。这些流失的氮素不仅在农业土壤中直接产生N2O排放，还通过地下水和地表水的输入间接产生N2O排放。为了减少N2O排放，提高农业生态系统的氮利用效率是一个关键的途径。除了通过政策和改进现有农业技术外，通过生物工程手段直接操纵土壤微生物群落，尤其是增强土壤中N2O还原为N2的能力，具有更大的减排潜力。在土壤中，N2O的生物还原主要依赖于NosZ酶，这是一种能够将N2O催化还原为N2的酶。然而，如何通过生物工程手段增强土壤中NosZ活性，以减少N2O排放，一直是一个技术挑战。


针对这一挑战，文章研发了一种新技术，通过使用有机废物作为基质和载体，筛选出能在土壤中生存并具有N2O还原能力的细菌Cloacibacterium sp.CB-01。利用了CB-01菌株的NosZ活性，通过在有机废料中培养该细菌，然后将这些废料施用到土壤中，以此来增强土壤的N2O还原能力，减少N2O排放。研究的目标是在不牺牲农业生产力的前提下，找到一种成本效益高且可持续的减少农业土壤N2O排放的方法。


通过使用微传感器土壤剖面分析系统（unisense）和气相色谱法测试了CB-01菌株在土壤中的持久性和对N2O排放的长期影响。并研究了CB-01的添加对土壤微生物群落的结构和多样性没有负面影响。

Unisense一氧化氮微电极系统的应用


氧(O2)和一氧化二氮(N2O)微剖面在控制和富氮容器中的每个农田土壤芯的顶部0-1厘米处测量，使用带有电动显微操作器设置的电化学微传感器。Clark型氧气(O2)微传感器和一氧化二氮(N2O)微传感器（尖端直径=100μm，90%响应时间<8 s，搅拌灵敏度<1%）用于测量O2和N2O微观分布。在剖面测量之前，将O2微型传感器暴露于H 2 S作为预污染以避免测量期间校准漂移。并在0%和100%空气饱和水中进行校准，而N2O微型传感器在水中进行校准，使用N2O饱和溶液作为N 2 O源的O浓度为0和100μM N 2 O。通过将微型传感器尖端定位在土壤核心表面（使用立体显微镜进行可视化）进行剖面测量，直到土壤深度达到9 mm(O2)和8 mm(N2O）。O2的深度增加了200μm，N2O的深度增加了400μm。通过使用连接到运行专用定位和数据采集软件的笔记本电脑控制自动微操作器。对于每个核心，测量不同位置的三个重复，然后平均每个微传感器类型的每个核心产生一个重复。

图1N2O还原的生物动力学，CB-01与其他菌株的比较。

图2CB-01对pH 6.7的粘土壤中N2O排放的影响。

图3检查CB-01的偶然效应。

图4不同土壤中CB-01减少N2O排放的效果。

图5试验地中CB-01减少N2O排放的效果。

图6CB-01在土壤中的生存情况。


实验结果


在实验室条件下，CB-01菌株在无氧条件下可以将N2O还原为N2，但其生物动力学参数（如Vmax为0.11 h−1，Km为12.9µM N2O）与其他N2O呼吸细菌相比并不优越。在田间实验中，使用CB-01菌株处理的土壤，通过施用生物沼气生产过程中产生的废渣，能够将N2O排放量减少50-95%，具体效果取决于土壤类型。CB-01菌株在土壤中的持久性和对N2O排放的长期影响与其在土壤中的稳定性有关，而不是其生物动力学参数，同时CB-01的添加对土壤微生物群落的结构和多样性没有负面影响。在欧洲使用CB-01技术预计可以减少5-20%的人为N2O排放，如果包括其他有机废料，减排潜力可能更大。