群落协同驱动土壤微生物诱导碳酸钙沉淀：一个简化模型联合体的构建与机制解析

《Microbial Ecology》：Community Dynamics Drive Calcium Carbonate Production in an Enriched Consortium of Soil Microbes

为解决土壤微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)过程中群落互作机制不清的问题，研究人员构建了一个由5种土壤细菌组成的简化模型联合体CSC-A。研究发现，该联合体产生的CaCO3量显著高于各成员单独培养的总和，揭示了群落互作在驱动碳封存中的关键作用，为理解土壤碳循环的群落机制提供了新模型。

　　

土壤是地球上最大的陆地碳库，储存着远超植物生物量的碳。其中，无机碳（如碳酸钙，CaCO₃）因其化学性质稳定，是长期碳封存和土壤固化的理想形式。微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation, MICP)是自然界中形成碳酸钙的重要途径，其核心机制（如尿素水解）已被广泛研究。然而，在复杂的土壤生态系统中，微生物并非孤立存在，而是以群落的形式相互作用。目前，我们对MICP的理解大多停留在单一物种层面，而群落水平的相互作用如何驱动碳酸钙的形成，仍是一个巨大的知识空白。为了填补这一空白，来自太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)的研究团队在《Microbial Ecology》上发表了一项研究，他们成功构建并分析了一个简化的土壤微生物联合体，揭示了群落互作在驱动碳酸钙生产中的关键作用。

为了回答上述问题，研究人员首先从加利福尼亚州的农田采集土壤样本，通过连续传代培养，在含有尿素和镍（尿素酶辅因子）的培养基中富集能够产生碳酸钙的微生物群落。随后，他们从这些富集的群落中分离出单个菌株，并基于16S rRNA测序结果，选择出5种反复共同出现的菌株，构建了一个名为“碳储存联合体A”(Carbon Storing Consortium A, CSC-A)的简化模型。该联合体包含Rhodococcus qingshengii、Microbacterium sp.、Curtobacterium flaccumfaciens以及两种Bacillus属的菌株。研究人员通过比较CSC-A与各成员单独培养时的碳酸钙产量，评估了群落互作对MICP的贡献。此外，他们还利用荧光显微镜和X射线衍射(X-Ray Diffraction, XRD)等技术对产生的沉淀物进行了表征，确认其成分为碳酸钙。

Identifying a medium promoting calcium carbonate formation

研究人员首先测试了多种培养基，以确定最适合富集MICP微生物群落的营养环境。他们选择了三种已知具有MICP潜力的细菌（Sporosarcina pasteurii、Bacillus subtilis和Escherichia coli MJK2）进行测试。结果表明，B4U和B4UNZ培养基能诱导这三种菌株产生大量的碳酸钙沉淀，因此被选为后续富集实验的培养基。

Enriched communities of CaCO3 producing species

通过将土壤稀释液接种到B4U和B4UNZ等培养基中，并在液体和固体平板上进行连续传代培养，研究人员成功富集了多个微生物群落。他们观察到，随着传代次数的增加，部分群落出现了明显的pH升高（培养基变红）和白色沉淀物形成，表明MICP过程正在发生。然而，不同重复之间的表型存在显著差异，显示出群落组装过程中的随机性。

Selection of Species for a Carbon Storing Consortium

研究人员从表型最显著的富集群落中分离出51个菌株，并通过16S rRNA测序进行鉴定。他们发现，有5个分类单元在多个富集群落中反复共同出现，分别是Rhodococcus qingshengii、Microbacterium sp.、Curtobacterium flaccumfaciens、Bacillus thuringiensis和Bacillus toyonensis。基于这些菌株在群落中反复共现的现象，研究人员将它们组合在一起，构建了最终的简化模型联合体CSC-A。

Growth and pH shifts of member species of CSC-A

在单独培养时，CSC-A的5个成员表现出不同的生长特性和pH调节能力。Rhodococcus qingshengii虽然生长较慢，但能迅速将培养基的pH提升至9.0左右，这是MICP发生的理想碱性环境。Microbacterium sp.生长迅速，但pH提升幅度较小。两种Bacillus菌株和Curtobacterium flaccumfaciens的pH提升能力介于两者之间。这些结果表明，不同成员在群落中可能扮演着不同的角色。

CaCO3 production by each member species of CSC-A and the full consortium

这是本研究最核心的发现。当研究人员分别培养CSC-A的5个成员时，只有Rhodococcus qingshengii在72小时和144小时产生了大量的碳酸钙，而其他4个成员产生的碳酸钙量微乎其微。然而，当这5个成员共同培养形成CSC-A时，其产生的碳酸钙量在144小时达到了约490 mg/L，显著高于Rhodococcus qingshengii单独培养时的产量（约375 mg/L）。更重要的是，CSC-A的碳酸钙产量显著高于5个成员单独培养产量的总和，平均增加了32%。这一结果有力地证明了群落互作产生了“1+1>2”的协同效应，驱动了更高的碳酸钙产量。

Taxonomic makeup and stability of CSC-A

为了探究协同效应是否源于群落中Rhodococcus qingshengii的过度生长，研究人员分析了CSC-A在培养72小时后的物种组成。结果显示，CSC-A的物种组成相对均匀，Rhodococcus qingshengii并未占据绝对优势。这表明，协同效应的产生并非简单地因为Rhodococcus qingshengii数量的增加，而是源于更复杂的种间互作。

本研究成功构建了一个由5种土壤细菌组成的简化模型联合体CSC-A，并首次在实验层面证实，微生物群落作为一个整体产生的碳酸钙量，显著高于其成员单独培养产量的总和。这一发现将我们对MICP的理解从单一物种层面提升到了群落互作层面，揭示了“整体大于部分之和”的协同效应是驱动土壤碳封存的关键机制。

CSC-A的建立为深入研究MICP的分子机制提供了宝贵的模型系统。研究人员推测，这种协同效应可能源于多种机制。例如，不产生碳酸钙的成员可能为Rhodococcus qingshengii提供尿素或其他代谢产物，从而增强其MICP能力；或者，群落中的其他成员通过改善生长环境，间接促进了Rhodococcus qingshengii的生长和活性。此外，研究还观察到群落组装过程中的随机性，即初始条件相似的群落会因随机因素而演化为表型不同的群落，这凸显了在开发功能性微生物群落时，进行多次重复和充分传代的重要性。

尽管将实验室的发现应用于野外环境仍面临诸多挑战（如营养限制、环境复杂性等），但CSC-A的建立为理解土壤碳循环的群落机制迈出了关键一步。通过利用这一模型系统，科学家们可以更深入地探究种间互作的分子基础，为未来开发基于微生物群落的土壤碳封存和土壤修复技术奠定坚实的理论基础。