半干旱区沙地土壤固定大气二氧化碳的微生物途径

The fact that soils in deserts can sequestrate atmospheric CO2 has been proven worldwide in recent years; however, the assumed physical and chemical processes cannot convincingly unveil the mechanism involved. Here, we propose the hypothesis that there were some microbial populations which can transfer atmospheric CO2 into organic carbon and mineral substances. To test this hypothesis, this proposal carried out in the Mu Us Desert are to: (1) detect the microorganism groups fixing carbon via metagenomic approaches; (2) quantify organic carbon fixed by microorganisms and its categories using 13C isotope feeding in situ and Nuclear Magnetic Resonance (NMR); and (3) identify the mineral substances converted from CO2 and the microorganisms involved in this process, based on control experiment, X-ray Diffraction Analysis (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-ray Analysis (EDX). The projected results would provide a new idea on revealing the puzzling process of carbon fixation in desert soils; and would be of importance on understanding the function of desert ecosystems, and promoting the development of desert ecology.

近年来全球范围的研究已证实，荒漠地区的土壤能够固定大气二氧化碳。然而，目前的物理和化学过程并不能令人信服地解释这种现象。项目在前期研究基础上，提出了荒漠土壤固碳的微生物途径假说，认为可能存在某些微生物种群，通过将大气二氧化碳转化为有机碳和矿物质两种途径固定二氧化碳。为了验证此假说，项目以毛乌素沙地为研究区，利用宏基因组分析技术，明确土壤中参与碳转化的微生物群落；采用原位稳定碳同位素喂食实验和核磁共振技术，确定土壤微生物将二氧化碳转化为有机碳的固碳量及形成的有机物类别；在控制条件下进行矿物质生成实验，利用X射线衍射分析、扫描电镜、能量色散X光谱分析等技术手段，确定大气二氧化碳转化形成的矿物质及参与该过程的微生物。项目预期成果可为揭示荒漠地区土壤固定大气二氧化碳的内在机理，提供新的研究思路和方法；对于科学认识荒漠生态系统的功能，推动荒漠生态学的发展具有重要的意义。

近年来的研究证实，荒漠土壤能够固定大气二氧化碳，但其微生物机制如何，尚不得而知。本项目以毛乌素沙地为研究区，研究了沙地土壤中具有固碳功能的微生物类群，以及土壤微生物将大气二氧化碳转化为土壤有机碳和无机碳的具体途径，发现如下：.（1）在毛乌素沙地土壤中检测到了存在自养固碳基因的微生物，其中编码还原柠檬酸循环的基因相对丰度最高。这些自养微生物隶属于放线菌门、变形菌门、绿弯菌门等。通过稳定碳同位素示踪试验，发现沙地土壤自养微生物可将大气二氧化碳转化为土壤有机碳。该途径固定的大气二氧化碳占土壤吸收大气二氧化碳的3.85%。.（2）毛乌素沙地土壤中不仅存在自养固碳微生物，也存在异养固碳途径的微生物，且自养固碳微生物的数量要远多于异养固碳微生物。固碳微生物中只有很小一部分利用还原戊糖磷酸循环（主要为光合途径）固碳，绝大部分通过非光合途径固碳。这些固碳微生物能够将二氧化碳转化为土壤有机碳，且其固定二氧化碳的能力受固碳微生物中采用特定自养途径和异养二氧化碳固定途径的微生物组成的影响。.（3）通过分离纯化土壤中的微生物，得到的6种细菌（节细菌和红球菌等）以作为成核位点和提高溶液pH等方式诱导无机碳（方解石和球霰石）形成。通过13C标记二氧化碳示踪，证实了大气二氧化碳参与了细菌形成含碳矿物的过程。.（4）在13C标记二氧化碳环境中的培养实验发现，13C在微生物的作用下被吸收进入了土壤无机碳库，且其转化速率与土壤微生物群落组成及相关代谢过程相关。同时，在控制实验条件下发现微生物群落能够诱导形成无机碳（方解石、含碳硅铝酸盐）。通过该过程初步发现沙地土壤微生物能将大气二氧化碳固存在土壤无机碳库中。.沙地土壤微生物可将大气二氧化碳同化为有机碳，并可够将大气二氧化碳以无机碳形式封存在土壤中。因此，沙地土壤固定大气二氧化碳的微生物途径很可能是沙地土壤碳库形成和维持的重要机制。