向经典看齐:解码细菌潜力赋能农田N2O高效减排——微生物新路径

“向经典看齐”是生态环境研究中心主任朱永官院士发起，由生态环境研究中心青年学术委员会委员解读经典论文的系列活动。本活动旨在鼓励青年科研人员勇于挑战高难度的科学问题，抢占科技制高点，向本领域顶尖的科学家看齐，力争取得原创性、颠覆性成果，传承经典、砥砺前行。

经典论文解读：解码细菌潜力赋能农田N₂O高效减排——微生物新路径

解读人：刘春雷于龙斌

作者：Elisabeth G. Hiis, Silas H. W. Vick, Lars Molstad, Kristine Rosdal, Kjell Rune Jonassen, Wilfried Winiwarter & Lars R. Bakken

文章标题：Unlocking bacterial potential to reduce farmland N₂O emissions

文献来源：Nature Vol 630, 13 June 2024, Pages 422–427

研究背景

N₂O是一种强效温室气体，全球增温潜能约为CO₂的300倍，且可在大气中存留百年以上。农田是主要人为N₂O排放源，贡献全球50%以上排放量。自工业化以来，活性氮输入倍增，其中哈伯–博施工艺合成的氮肥是主要来源。氮肥过量使用导致农业系统“氮泄漏”，加剧温室效应，并引发水体富营养化与土壤酸化。现有减排手段（如提高氮利用效率、施用硝化抑制剂等）虽有一定效果，但普遍存在减排幅度有限（通常低于40%）、受环境与管理因素制约大、成本较高等问题，在发展中国家尤其难以推广。因此，开发高效、低成本、环境友好且易于推广的减排技术，已成为农业可持续发展的重要方向。

N₂O在土壤中的唯一生物转化途径是通过微生物体内的N₂O还原酶（NosZ）将其还原为N₂。理论上，增强NosZ活性菌群可有效减排，但实际应用中面临菌株难筛选、效果不稳定、技术成本高及生态风险未知等挑战。为此，本研究提出创新策略：利用有机废弃物（如沼气残留物）作为载体与培养基，筛选并规模化培养具有强土壤适应性的N₂O呼吸细菌Cloacibacterium sp. CB-01，构建低成本、高效益的农田N₂O减排体系。这一研究突破了传统微生物接种的瓶颈，并为废弃物资源化与温室气体协同减排提供了新路径。

研究思路

本文的研究思路清晰，可分为以下六个阶段：

1. 菌株筛选与表型鉴定：通过“双底物富集策略”从土壤和沼气残渣中筛选出能在土壤中存活的N₂O呼吸细菌（NNRB）菌株，最终选定Cloacibacterium sp. CB-01作为目标菌株；
2. 生理与动力学表征：测定CB-01的N₂O还原动力学参数（Vmax, Km），分析其在不同底物（营养液、沼气残渣）中的生长与呼吸表型；
3. 多尺度田间实验验证：采用“梯度验证”策略，分别开展了桶栽实验、田间小区实验和长期桶栽实验，在土壤中施用含CB-01的沼气残渣，监测N₂O排放动态，评估减排效果与持久性；
4. 菌株存活与生态影响评估：通过qPCR追踪CB-01在土壤中的丰度变化，通过16S rRNA测序分析对土著微生物群落的影响；
5. 减排潜力区域尺度推演：基于GAINS模型估算欧洲尺度N₂O减排潜力，分析不同国家与农业系统的适用性；
6. 技术可行性评估与未来方向：评估CB-01的安全性（无抗生素抗性基因、无致病性），提出拓展至其他有机废弃物的应用前景；

核心研究成果

1. 关键菌株的分离与特性——CB-01的N₂O还原动力学相对较弱，但土壤存活能力突出；

研究团队通过双底物富集策略，从土壤和沼气残留物中筛选出一株具有强土壤适应性的NNRB菌株——Cloacibacterium sp. CB-01。CB-01携带NosZII型还原酶基因，但不具备硝酸盐或亚硝酸盐还原能力，属于非反硝化型N₂O呼吸细菌（NNRB），因此在缺氧条件下专一性地还原N₂O，不产生N₂O。

实验室生物动力学评估发现，尽管CB-01在高N₂O浓度下的还原速率（Vmax）与其他菌株平均值相当，但其对N₂O的表观亲和力较低（Km较高），导致在低N₂O浓度下的催化效率（Vmax/Km）显著低于许多其他N₂O呼吸菌株。此外，它还存在“赌注对冲”策略，即在缺氧初期只有一部分细胞表达NosZ并转向厌氧呼吸。然而，当CB-01在厌氧消化液中生长时，这种“赌注对冲”现象消失，所有细胞都能在氧气耗尽时迅速启动N₂O呼吸。这表明其实际应用潜力依赖于载体环境。尽管CB-01的N₂O亲和力较低（Km = 12.9 μM），但其在土壤中的持久性和适应能力远超其他高亲和力菌株。

图1| CB-01与其他N₂O呼吸菌的动力学比较。CB-01在低N₂O浓度下的催化效率较低，但具有较高的最大还原速率（Vmax）

2. 田间实验证明CB-01可显著降低N₂O排放

研究者在消化液中规模化培养CB-01（细胞密度达~6×10⁹cells/mL），并将其作为有机肥施用于不同类型的土壤中，开展了一系列桶栽和田间小区试验。实验发现与施用热灭活的CB-01作为对照消化液相比，施用含有活CB-01的消化液，能将农田土壤的N₂O排放峰值降低50%-95%，且这种减排效应在不同土壤类型和多个施肥/降雨事件中能持续至少90天。即使在不理想的酸性土壤中，CB-01仍能显著减排，主要得益于沼气残留物对局部pH的缓冲作用。CB-01在土壤中存活时间长，且对土著微生物群落无显著负面影响。

图2 | CB-01在pH 6.7黏壤土中对N₂O排放的抑制效果。长期桶栽试验表明，CB-01能持续减少N₂O排放，在施肥初期和后续的降雨、追肥事件中均表现出显著的减排效应。

3. 减排机制解析--CB-01在土壤中具有良好的存活能力

CB-01 的减排机制根植于其在土壤中卓越的生态适应性与功能表达的精准调控。作为非反硝化型N₂O呼吸细菌，通过携带的NosZII酶专一性地将N₂O还原为N₂，构成土壤中N₂O唯一的生物“汇”。沼气残渣作为载体在其中起了关键作用：一方面，残渣为CB-01提供物理保护与碳源，使其在田间土壤中存活时间显著延长（T_1/2约34天），保障了效果的持久性；另一方面，沼气残渣诱导CB-01从实验室条件下的“赌注对冲”表型（仅部分细胞响应）转变为“全员启动”模式，确保所有菌体在缺氧事件（如施肥、降雨）发生时能同步高效地消耗N₂O，从而在排放峰值期实现高达50–95%的减排。N₂O减排效果呈现情境依赖性，在高N₂O通量环境下作用最强，如施肥后、降雨后或再施肥期间，能够通过载体自带的pH缓冲能力适应不同土壤条件。通过16S rRNA基因扩增子测序分析，发现添加CB-01对土著土壤微生物群落的组成和多样性没有产生持续性的显著影响，表明该技术具有良好的生态安全性。此外，在CB-01基因组中未检测到抗生素抗性基因或致病性基因。整个过程对土著微生物群落无持续扰动，且菌株无安全风险，从而构建了一个载体驱动、菌株响应、环境适配、生态安全的完整减排链条。

图3 | CB-01在土壤中的存活动态。田间桶栽试验中，CB-01丰度在90天内维持在较高水平；而实验室恒温恒湿条件下，其丰度下降更快，突显了实际田间条件的复杂性。

4. 技术推广潜力评估

基于GAINS模型估算，若将CB-01技术推广至欧盟所有液态粪肥系统，可使欧盟27国N₂O排放降低4.0%。若能进一步拓展至所有有机废弃物和矿物肥料系统，减排潜力可达23%–31%，远超当前其他减排技术（如硝化抑制剂、变量施肥等）。

意义与反响

本文提出并验证了一套以沼气残渣为低成本载体、利用非反硝化N₂O呼吸细菌（NNRB） 直接削减农田N₂O排放的生物技术体系。其核心创新在于跳出了传统“优化施肥、抑制产生”的路径，转而通过外源强化土壤中唯一的N₂O生物汇，实现对排放的“末端治理”。研究证明，所选菌株CB-01虽在纯培养中动力学性能不突出，却凭借其在土壤中卓越的存活与定殖能力，在多种田间条件下实现了50–95%的持续减排，且不影响土著微生物群落。该技术路径为农业温室气体减排提供了一种可扩展、环境兼容且能与沼气工程耦合的微生物解决方案，若在欧洲层面推广，预计可使农业N₂O排放削减最高达31%，展现了在应对气候变化和推动农业碳中和方面的巨大潜力与应用前景。

作者简介

Lars R. Bakken：本文通讯作者，挪威大学生命科学大学教授，长期致力于土壤氮循环微生物过程研究，是反硝化微生物调控领域的国际知名学者。

Elisabeth G. Hiis：本文第一作者，主要从事N₂O呼吸细菌的分离与功能表征研究。

Wilfried Winiwarter：国际应用系统分析研究所研究员，负责减排潜力模型评估。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07464-3