Page 47 - 碳中和视角下环保产业的发展研究

第二章 土壤污染与微生物修复技术

工程技术对固氮酶基因调控网络关键节点进行基因编辑可以优化外源氮存在条件
下微生物的固氮能力。同时，外源施用有机物料通过提升土壤有机质含量有利于
固氮菌生长，也可以促进土壤生物固氮，因此通过施肥方式或基因工程调控土壤

微生物群落可以增加生物固氮。此外，固氮菌的接种可以促进土壤固氮，但是固
氮菌与土著菌群落的竞争、宿主 - 共生兼容性以及确保植物整个生命周期的固氮
能力仍然是一个挑战。
生物固氮作用将大气中的 N 2 转化为 NH 3 后，通过氨氧化古菌及细菌执行的
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氨氧化以及硝化细菌执行的亚硝酸盐氧化作用将 NH3 转化为 NO 3 。这些硝酸盐
可以通过径流或淋洗流失，或者通过反硝化作用转化为 N2。然而硝化过程中铵
盐的不完全氧化和反硝化过程中亚硝酸盐的不完全还原均会产生副产物——强效

温室气体 N 2 O 的释放。氨氧化古菌（AOA）利用每摩尔氨产生的 N 2 O 低于氨氧
化细菌（AOB），因此，AOA 与 AOB 的生态位分异会影响 N 2 O 排放，通过农
业管理措施提高 AOA:AOB 的比率对于降低土壤的净 N 2 O 排放量具有重要作用。
此外，附加微生物和非生物过程的复杂网络也会影响 N 2 O 排放。反硝化微生物
可以产生 N 2 O，而携带和表达 N2O 还原酶（由 nosZ 编码）的微生物可以将 N 2 O

还原为 N 2 ，N 2 O 的排放降低与较高的 nosZ 基因丰度有关，通过农业措施优化并
提升 nosZ Ⅱ微生物分支丰度是减少农业土壤 N 2 O 的一个重要措施。异化硝态氮
还原（DNRA）将硝态氮还原为铵态氮保留在土壤生态系统中，在低硝酸盐和高

碳氮比的条件下，更有利于 DNRA。因此，调控复杂的微生物氮转化网络可为健
康土壤可持续氮素管理提供途径。
（二）微生物参与调控土壤磷的有效性
土壤中磷的有效性对土壤健康和植物生长至关重要。不同于氮元素，土壤
磷元素常以多种有机和无机的形式存在且大多被固定于土壤矿物中，难以被作物

直接吸收利用，限制了作物的产量。微生物在土壤磷素循环中发挥着重要作用，
对土壤磷素有效性起着调节作用。其中，参与土壤磷循环的微生物主要负责三类
功能：

无机磷溶解。在富含矿物磷的土壤中溶解过程是微生物磷周转的主要驱动因
素。微生物主要通过有机酸的分泌、NH4+ 同化作用等伴随 pH 下降，酸化微生
物细胞和周围环境促进无机磷的溶解与利用，且分泌的有机酸还可以与无机磷酸
盐结合的阳离子螯合增溶无机磷酸盐。例如，gcd 是一种膜结合型醌蛋白葡萄糖

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