Genome-guided development of a bacterial two-strain system for low-temperature soil biocementation：低温土壤生物胶结的创新突破

为解决土壤退化和侵蚀问题，研究人员开发细菌双菌株系统，发现其能低温生物胶结土壤，意义重大。

　　土壤，作为地球生态系统的重要基石，支撑着无数生命的繁衍。然而，在气候变化和人类活动的双重夹击下，土壤退化和侵蚀问题日益严峻，全球超过 15% 的土地受到影响，这对全球粮食安全和农业生产力构成了巨大威胁。传统的土壤修复技术存在诸多弊端，难以满足可持续发展的需求。在此背景下，微生物诱导方解石沉淀（Microbially induced calcite precipitation，MICP）技术应运而生，它通过细菌产生碳酸钙来粘结土壤颗粒，从而稳定土壤，在提高土壤强度、增强抗侵蚀能力和固碳等方面展现出巨大潜力。但该技术的应用受温度限制，多数参与 MICP 过程的脲酶在 20 - 28°C 活性最佳，在低温环境下（常低于 10°C）难以发挥作用，这大大限制了其在寒冷和温和地区的应用。

为突破这一困境，来自波兰华沙大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们将目光投向了地球上最寒冷的地区之一 —— 南极，期望从极端环境中寻找能够适应低温的微生物，以拓展 MICP 技术的应用范围。研究成果发表在《Applied Microbiology and Biotechnology 》上。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是微生物培养技术，对从南极分离出的 Sporosarcina sp. ANT_H38 菌株和模式菌株 Sporosarcina pasteurii DSM 33 进行培养；其次采用 DNA 测序技术，利用 Illumina MiSeq 仪器和牛津纳米孔技术对菌株基因组进行测序；此外还运用了基因组组装与注释技术，对测序数据进行组装和注释，以分析菌株的基因组特征。

研究结果如下：

• 基因组特征：Sporosarcina sp. ANT_H38 菌株的基因组由一个环形染色体和四个质粒组成，大小为 4,685,507 bp，GC 含量为 39.9%。功能注释显示，与细胞代谢相关的基因最为丰富。通过与不同数据库比对，鉴定出 45 个冷适应基因，这些基因参与 DNA 转录调控、翻译起始和碳水化合物代谢等过程，帮助菌株在低温环境下生存。同时，研究人员还对菌株的移动遗传元件进行了分析，发现了四个质粒、15 个转座酶基因和四个噬菌体。质粒上的基因可能参与金属调节、生物膜形成和 pH 调节等过程，对菌株适应恶劣环境具有重要意义123。
• 比较基因组学分析：研究人员选取了 12 种 Sporosarcina 属菌株进行比较基因组学分析，确定了核心基因组和辅助基因组。结果发现，占据特殊生态位的菌株具有较多独特基因，如 Sporosarcina sp. ANT_H38 和 S. psychrophila DSM6497。ANT_H38 菌株独特基因多与碳水化合物代谢相关，还包含与维生素 B12 转运和紫外线防护相关的基因。此外，通过对脲酶编码基因簇的系统发育分析发现，ANT_H38 菌株的脲酶在进化上与其他 Sporosarcina 菌株不同，这为其在生物技术中的应用提供了新的可能性456。
• 菌株性能测试：在生长动力学方面，10°C 时 Sporosarcina sp. ANT_H38 生长稍占优势，15°C 时 S. pasteurii DSM 33 生长更快。脲酶活性测试中，DSM 33 在 10°C 时脲酶活性显著高于 ANT_H38，但 ANT_H38 最终也能达到相同活性水平。碳源利用测试表明，ANT_H38 碳源利用谱更广，能代谢多种 DSM 33 不能利用的碳源。生物胶结分析显示，单独使用 ANT_H38 菌株对土壤内摩擦角和凝聚力提升有限，但将其与 DSM 33 以 1:1 混合使用时，土壤凝聚力大幅提高，相比单独使用参考菌株提高了三倍多，展现出强大的协同效应789。
• 生物安全性分析：对 ANT_H38 菌株进行生物安全性分析，未发现已知抗生素抗性基因。虽鉴定出两个与有毒金属抗性相关的 arsC 基因，但与生物安全问题无关。通过 VFDB 数据库分析，发现 7 个推定的毒力相关蛋白，但均非主要毒力因子，表明该菌株在生物技术应用中具有较高安全性1011。

研究结论和讨论部分指出，该研究成功构建并表征了 Sporosarcina sp. ANT_H38 菌株，发现其与 S. pasteurii DSM 33 组合能显著提高低温下土壤生物胶结效果，为解决土壤侵蚀和沙漠化问题提供了新的有效途径。尽管双菌株系统协同作用的具体机制尚待进一步研究，但这一发现为土壤稳定化和相关生物技术应用开辟了新方向，有望实现 MICP 技术在寒冷和温和气候地区的全年应用，推动了建设相关生物技术的发展，对生态保护和农业可持续发展具有重要意义。