氮肥的使用雖然提高了作物產(chǎn)量，解決了20世紀(jì)初由于氮素限制導(dǎo)致的糧食低產(chǎn)問題，但同時也帶來了環(huán)境問題。Haber-Bosch工藝的發(fā)明使得大氣中的氮氣得以轉(zhuǎn)化為氨，極大地推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但也使得農(nóng)民能夠無節(jié)制地使用氮肥，導(dǎo)致大量氮素流失到環(huán)境中。這些流失的氮素不僅在農(nóng)業(yè)土壤中直接產(chǎn)生N2O排放，還通過地下水和地表水的輸入間接產(chǎn)生N2O排放。為了減少N2O排放，提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的氮利用效率是一個關(guān)鍵的途徑。除了通過政策和改進(jìn)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)技術(shù)外，通過生物工程手段直接操縱土壤微生物群落，尤其是增強(qiáng)土壤中N2O還原為N2的能力，具有更大的減排潛力。在土壤中，N2O的生物還原主要依賴于NosZ酶，這是一種能夠?qū)2O催化還原為N2的酶。然而，如何通過生物工程手段增強(qiáng)土壤中NosZ活性，以減少N2O排放，一直是一個技術(shù)挑戰(zhàn)。

針對這一挑戰(zhàn)，文章研發(fā)了一種新技術(shù)，通過使用有機(jī)廢物作為基質(zhì)和載體，篩選出能在土壤中生存并具有N2O還原能力的細(xì)菌Cloacibacterium sp.CB-01。利用了CB-01菌株的NosZ活性，通過在有機(jī)廢料中培養(yǎng)該細(xì)菌，然后將這些廢料施用到土壤中，以此來增強(qiáng)土壤的N2O還原能力，減少N2O排放。研究的目標(biāo)是在不犧牲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的前提下，找到一種成本效益高且可持續(xù)的減少農(nóng)業(yè)土壤N2O排放的方法。

通過使用微傳感器土壤剖面分析系統(tǒng)（unisense）和氣相色譜法測試了CB-01菌株在土壤中的持久性和對N2O排放的長期影響。并研究了CB-01的添加對土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性沒有負(fù)面影響。

Unisense一氧化氮微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

氧(O2)和一氧化二氮(N2O)微剖面在控制和富氮容器中的每個農(nóng)田土壤芯的頂部0-1厘米處測量，使用帶有電動顯微操作器設(shè)置的電化學(xué)微傳感器。Clark型氧氣(O2)微傳感器和一氧化二氮(N2O)微傳感器（尖端直徑=100μm，90%響應(yīng)時間<8 s，攪拌靈敏度<1%）用于測量O2和N2O微觀分布。在剖面測量之前，將O2微型傳感器暴露于H 2 S作為預(yù)污染以避免測量期間校準(zhǔn)漂移。并在0%和100%空氣飽和水中進(jìn)行校準(zhǔn)，而N2O微型傳感器在水中進(jìn)行校準(zhǔn)，使用N2O飽和溶液作為N 2 O源的O濃度為0和100μM N 2 O。通過將微型傳感器尖端定位在土壤核心表面（使用立體顯微鏡進(jìn)行可視化）進(jìn)行剖面測量，直到土壤深度達(dá)到9 mm(O2)和8 mm(N2O）。O2的深度增加了200μm，N2O的深度增加了400μm。通過使用連接到運行專用定位和數(shù)據(jù)采集軟件的筆記本電腦控制自動微操作器。對于每個核心，測量不同位置的三個重復(fù)，然后平均每個微傳感器類型的每個核心產(chǎn)生一個重復(fù)。

圖1N2O還原的生物動力學(xué)，CB-01與其他菌株的比較。

圖2CB-01對pH 6.7的粘土壤中N2O排放的影響。

圖3檢查CB-01的偶然效應(yīng)。

圖4不同土壤中CB-01減少N2O排放的效果。

圖5試驗地中CB-01減少N2O排放的效果。

圖6CB-01在土壤中的生存情況。

實驗結(jié)果

在實驗室條件下，CB-01菌株在無氧條件下可以將N2O還原為N2，但其生物動力學(xué)參數(shù)（如Vmax為0.11 h?1，Km為12.9μM N2O）與其他N2O呼吸細(xì)菌相比并不優(yōu)越。在田間實驗中，使用CB-01菌株處理的土壤，通過施用生物沼氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢渣，能夠?qū)2O排放量減少50-95%，具體效果取決于土壤類型。CB-01菌株在土壤中的持久性和對N2O排放的長期影響與其在土壤中的穩(wěn)定性有關(guān)，而不是其生物動力學(xué)參數(shù)，同時CB-01的添加對土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性沒有負(fù)面影響。在歐洲使用CB-01技術(shù)預(yù)計可以減少5-20%的人為N2O排放，如果包括其他有機(jī)廢料，減排潛力可能更大。