宏基因组稳定同位素探针技术揭示了通过碳酸酐酶作用，微生物在喀斯特流域土壤中驱动的碳封存过程

《SOIL BIOLOGY & BIOCHEMISTRY》：Metagenomic Stable Isotope Probing Reveals Microbial-Driven Carbon Sequestration in Karst Watershed Soils via Carbonic Anhydrase

　　

程从玉|李帅月|康伟华|杨庆荣|于龙江|李伟

中国华中科技大学生命科学技术学院生物技术系资源生物学与生物技术研究所，武汉430074

摘要

由于喀斯特生态系统具有独特的吸收大气中二氧化碳（CO₂的能力，它们在全球碳循环中发挥着重要作用。然而，微生物和碳酸酐酶（CA）在喀斯特流域中增强土壤碳封存的具体机制仍不甚明了。本研究结合了基于DNA的稳定同位素探针技术（DNA-SIP）和宏基因组测序，研究了不同土地利用类型（耕地、灌木丛和林地）土壤的碳固定能力，识别了活跃的微生物类群，并阐明了它们的功能途径。研究区域位于中国普定市后海地下河流域的补给区（Chenqi）和排放区（Houzhai）。结果表明，土壤碳固定率存在显著的空间异质性，范围为0.24至0.49毫克/千克·天。外源产CA微生物的添加显著提高了某些林地和灌木丛土壤的碳固定能力。宏基因组分析鉴定出一种关键细菌菌株DP-20（属于Desulfobacterota门），其基因组编码了多种自养碳固定途径相关的酶，表明该菌株在土壤碳封存过程中起关键作用。结构方程模型表明，微生物的添加主要通过影响土壤中的CA活性并促进无机碳向微生物生物量的转化来增强碳封存。本研究为了解喀斯特流域中驱动土壤碳封存的微生物机制提供了新的见解，并为开发基于微生物的策略以增强土壤碳储存奠定了基础。

引言

全球气候变化和碳排放的增加带来了紧迫的环境挑战。作为最大的陆地有机碳库，土壤在缓解气候变化和调节碳循环反馈中起着至关重要的作用（Georgiou等人，2022年）。因此，增强土壤碳封存对于捕获大气中的CO₂和应对气候变化至关重要（Panchal等人，2022年）。喀斯特生态系统因其独特的无机环境与生物系统相互作用而尤为重要（Cao等人，2022年）。喀斯特土壤中的CO₂浓度是非喀斯特地区的10-300倍（Yuan，1988年）。其固有的钙丰富性和碱性有助于将大气中的CO₂封存为溶解无机碳（DIC），这对全球碳循环有重大影响（Li，2022年）。全球喀斯特面积达2200万平方公里（Yuan，1997年），这些生态系统贡献了大约五分之一的年陆地碳封存量（Friedlingstein等人，2022年；Zhang等人，2022年）。因此，增强喀斯特生态系统的碳固定能力对缓解全球气候变化具有重要意义。

最近的研究越来越多地强调了微生物在促进喀斯特碳封存中的作用。微生物通过加速岩石溶解的化学途径（如产生有机酸）或通过生长诱导的力量物理分解矿物颗粒来促进这一过程（Jia等人，2007年；Li等人，2009年；Pastore等人，2022年）。此外，微生物分泌的酶，包括碳酸酐酶（CA），可以加速碳酸盐岩的风化，从而增强喀斯特碳封存（Wang等人，2018年；Shen等人，2017年）。土壤微生物还通过将易变碳转化为稳定有机形式来发挥作用（Liang等人，2017年；Zhu等人，2020年），这提高了喀斯特系统中封存碳的稳定性。

稳定同位素探针技术（SIP）是阐明复杂环境中微生物生理和生态过程分子机制的强大工具（Kim等人，2023年）。在SIP技术中，DNA-SIP提供了最直接和明确的证据，用于识别参与环境样本中标记底物代谢的微生物类群（Song等人，2014年）。虽然我们之前的原位土壤柱实验表明，添加产CA微生物可以增强喀斯特流域土壤的碳封存，但其背后的机制仍不甚清楚。由于环境复杂性和在开放系统中维持高浓度稳定同位素示踪剂的难度，追踪原位微生物碳代谢流具有挑战性（Kim等人，2023年）。为了克服这些限制，本研究采用了基于DNA-SIP技术的实验室微宇宙模拟实验。

本研究的主要目的是利用DNA-SIP和宏基因组测序的集成方法，定量评估不同土地利用类型下喀斯特流域土壤的碳封存能力。我们以后海地下河流域为例，该区域具有明确的边界和完整的碳迁移过程。鉴于土地利用变化是影响喀斯特碳循环的主要因素（Wang等人，2025年），我们从补给区（Chenqi）和排放区（Houzhai）采集了三种土地利用类型的土壤样本。补给区的特点是垂直渗透和水分波动，而排放区则是水和养分的汇聚汇（Chen等人，2018年）。这些水文差异创造了不同的土壤微环境，我们假设这些微环境导致了不同的微生物碳固定模式。本研究旨在分析微生物和CA对喀斯特土壤碳封存的影响和途径，并识别参与该过程的关键微生物群，为管理喀斯特流域的土壤碳固定能力提供新的理论基础。

章节摘录

研究区域和土壤采样

本研究在中国贵州省普定县的后海地下河流域进行，该地区属于典型的喀斯特地带，具有湿润的亚热带气候（年平均温度：15.4°C；降水量：660.8毫米）。研究地点包括补给区（Chenqi，26°14'50"-26°16'05"N，105°45'46"-105°47'00"E）和排放区（Houzhai，26°13'03"-26°15'03"N，105°41'00"-105°43'28"E），这两个区域的水文特征不同：Chenqi具有垂直渗透，而Houzhai则是水和养分的汇聚汇

喀斯特土壤的碳固定能力

在90天的培养期间（图1），Chenqi耕地的土壤有机碳（SOC）含量在添加微生物（B）处理组中增加了9.87%（P < 0.01），在空白对照组（CK）中减少了5.08%（P < 0.05），而在添加CA抑制剂（I）的处理组中没有显著变化。Chenqi灌木丛土壤的SOC在CK处理组中减少了19.72%（P < 0.01），B和I处理组中没有显著变化。Chenqi林地土壤的SOC在各处理组间没有显著变化。

微生物和碳酸酐酶对喀斯特土壤碳固定过程的影响

添加产CA微生物后，喀斯特流域土壤碳封存能力的增强突显了微生物代谢活动在调节无机碳吸收中的关键作用。培养后SOC中¹³C含量的显著增加（图2）表明，土壤微生物有效地利用了添加的无机碳源，将其转化为稳定的有机碳库。这一过程主要由

结论

本研究阐明了喀斯特流域土壤碳封存的微生物机制。添加外源产CA微生物可以显著增强喀斯特土壤的碳固定能力，尽管这种效应存在空间异质性，并受土地利用和水文条件的调节。微生物的添加主要通过直接提高土壤中的CA活性来促进碳封存，从而促进无机碳的转化

CRediT作者贡献声明

程从玉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件使用，数据分析，概念化。李帅月：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，软件使用，数据分析，概念化。于龙江：资源获取，项目管理，方法学研究，实验设计。李伟：资源获取，项目管理，方法学研究，实验设计。康伟华：数据验证，监督。杨庆荣：数据验证

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金碳中和项目（42141008）的支持。我们感谢中国科学院地球化学研究所的刘再华教授和桂林航空航天技术大学建筑环境与能源工程系的沈泰明博士在采样方面的帮助。同时，我们也感谢武汉工业大学环境生态与生物工程学院的薛建涛博士在SOC/¹³