毛乌素沙地生物结皮中化能自养型微生物的筛选鉴定及其固碳能力评估

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00119

摘要/Abstract

摘要：

为探究毛乌素沙地生物结皮中可培养化能自养型微生物的种类及其理化特性，并筛选出具有高效固碳能力及潜在应用价值的菌株资源，本研究采用无碳源无机培养基，通过分离纯化并连续传代9次，获得具有稳定遗传性状的固碳菌株。基于菌株的形态学特征、生长特性、生理生化特性和16S rDNA序列分析，对固碳菌株进行系统鉴定。通过测定菌液中关键固碳酶（ATP-柠檬酸裂解酶（ACLY）和核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（RubisCO））活性、有机碳含量和固碳功能基因凝胶电泳，进一步解析菌株固碳途径及其固碳效率。结果表明：从生物结皮样品中共筛选出18株化能自养型菌株，分别隶属于链霉菌属（Streptomyces）10株、糖丝菌属（Saccharothrix）3株，以及红球菌属（Rhodococcus）、甲基杆菌属（Methylobacterium）、节杆菌属（Arthrobacter）、游动放线菌属（Actinoplanes）和不动杆菌属（Acinetobacter）各1株。其中，糖丝菌属和游动放线菌属细菌被首次验证具有固碳功能，同时发现同一菌株可通过多种途径实现固碳。在固碳能力方面，链霉菌属的3、5、14号菌株及甲基杆菌属的2号菌株均表现出较高的有机碳积累能力，其有机碳含量分别为57.82、58.21、62.89、65.94 mg·L^-1，并伴随显著的水解活性，表明以上菌株在荒漠区土壤改良和生态修复中具有潜在微生物菌剂应用价值。本研究为荒漠生态系统的生物地球化学循环调控提供新型功能菌种资源。

关键词: 毛乌素沙地, 生物结皮, 固碳酶, 有机碳含量, 化能自养型菌株

Abstract:

To explore the types and physicochemical characteristics of culturable chemoautotrophic microorganisms in the biological crusts of the Mu Us Sandy Land and to screen out strains with high carbon fixation capacity and potential application value， this study used an inorganic medium without carbon sources and obtained stable carbon-fixing strains through continuous separation and subculture for 9 generations. Based on morphological characteristics， growth characteristics， physiological and biochemical characteristics， and 16S rDNA sequence analysis， the carbon-fixing strains were systematically identified. The carbon fixation pathways and carbon fixation efficiency of the strains were further analyzed by measuring the activities of key carbon fixation enzymes （ATP-citrate lyase （ACLY） and ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase （RubisCO））， organic carbon content， and gel electrophoresis of carbon fixation functional genes in the bacterial culture. The results showed that a total of 18 chemoautotrophic strains were screened from the biological crust samples， belonging to Streptomyces （10 strains）， Saccharothrix （3 strains）， Rhodococcus， Methylobacterium， Arthrobacter， Actinoplanes， and Acinetobacter （1 strain each）. Among them， the carbon fixation function of Saccharothrix and Actinoplanes bacteria was verified for the first time， and it was found that the same strain could achieve carbon fixation through multiple pathways. In terms of carbon fixation capacity， strains 3， 5， and 14 of Streptomyces and strain 2 of Methylobacterium showed high organic carbon accumulation capacity， with organic carbon contents of 57.82， 58.21， 62.89 mg·L^-1， and 65.94 mg·L^-1， respectively， and accompanied by significant hydrolytic activity， indicating that these strains have potential application value as microbial agents for soil improvement and ecological restoration in desert areas. This study not only expanded the cognitive boundary of microbial carbon sink function in arid areas but also provided new functional bacterial resources for the regulation of biogeochemical cycles in desert ecosystems.

Key words: Mu Us Sandy Land, biological crust, carbon-fixing enzyme, organic carbon content, chemoautotrophic strains

中图分类号:

Q934

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图/表 8

参考文献 59

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编号	拉丁名	种名	相似度/%	属名	门名	菌落特征
1	Rhodococcus fascians	筋膜红球菌	100	红球菌属	放线菌门	黄色、圆形、表面光滑、凸面边缘整齐
2	Methylobacterium aminovorans	氨基沃兰甲基杆菌	99.78	甲基杆菌属	变形菌门	红色、圆形、表面光滑、单菌落小
3	Streptomyces phaeoluteigriseus	黄链霉菌	99.65	链霉菌属	放线菌门	淡黄色、圆形、扩展、无明显粉状孢子
4	Streptomyces venezuelae	委内瑞拉链霉菌	99.79	链霉菌属	放线菌门	白色、圆形、中凹台状、粉状孢子
5	Streptomyces flavogriseus	黄灰链霉菌	100	链霉菌属	放线菌门	黄色、卷发状、粗糙、中凹台状
6	Streptomyces anulatus	无核链霉菌	100	链霉菌属	放线菌门	淡黄色、同心环状、粗糙、粉状孢子
7	Arthrobacter nitroguajacolicus	硝基瓜菌关节杆菌	99.93	节杆菌属	放线菌门	淡黄色、凸面、黏稠、表面光滑
8	Saccharothrix texasensis	德克萨斯糖丝菌	99.78	糖丝菌属	放线菌门	白色、卷发状、中凹台状、粗糙
9	Saccharothrix espanaensis	西班牙糖丝菌	99.49	糖丝菌属	放线菌门	白色、覆轮状、粗糙、边缘整齐
10	Streptomyces lavendofoliae	薰衣草链霉菌	100	链霉菌属	放线菌门	白色、圆形、菌丝体状、粉状孢子
11	Streptomyces phaeochromogenes	显色链霉菌	100	链霉菌属	放线菌门	粉红色、圆形、同心环、粉状孢子
12	Streptomyces gulbargensis	古尔巴根链霉菌	100	链霉菌属	放线菌门	粉红色、椭圆形、同心环、粉状孢子
13	Actinoplanes teichomyceticus	泰式放线菌	98.54	游动放线菌属	放线菌门	橙黄色、不规则状、较硬、无明显粉状孢子
14	Streptomyces griseiscabiei	灰色链霉菌	99.86	链霉菌属	放线菌门	黄色、不规则状、粉状孢子
15	Acinetobacter calcoaceticus	醋酸钙不动杆菌	100	不动杆菌属	变形菌门	白色、黏稠湿润、圆形、凸面边缘整齐
16	Saccharothrix ghardaiensis	加纳糖丝酵母	99.28	糖丝菌属	放线菌门	白色、粗糙、不规则状、中凹台状
17	Streptomyces zaomyceticus	早霉素链霉菌	100	链霉菌属	放线菌门	粉红色、圆形、菌丝体状、粉状孢子
18	Streptomyces viridochromogenes	绿色产色链霉菌	99.71	链霉菌属	放线菌门	淡黄色、圆形、粉状孢子

编号	拉丁名	种名	相似度/%	属名	门名	菌落特征
1	Rhodococcus fascians	筋膜红球菌	100	红球菌属	放线菌门	黄色、圆形、表面光滑、凸面边缘整齐
2	Methylobacterium aminovorans	氨基沃兰甲基杆菌	99.78	甲基杆菌属	变形菌门	红色、圆形、表面光滑、单菌落小
3	Streptomyces phaeoluteigriseus	黄链霉菌	99.65	链霉菌属	放线菌门	淡黄色、圆形、扩展、无明显粉状孢子
4	Streptomyces venezuelae	委内瑞拉链霉菌	99.79	链霉菌属	放线菌门	白色、圆形、中凹台状、粉状孢子
5	Streptomyces flavogriseus	黄灰链霉菌	100	链霉菌属	放线菌门	黄色、卷发状、粗糙、中凹台状
6	Streptomyces anulatus	无核链霉菌	100	链霉菌属	放线菌门	淡黄色、同心环状、粗糙、粉状孢子
7	Arthrobacter nitroguajacolicus	硝基瓜菌关节杆菌	99.93	节杆菌属	放线菌门	淡黄色、凸面、黏稠、表面光滑
8	Saccharothrix texasensis	德克萨斯糖丝菌	99.78	糖丝菌属	放线菌门	白色、卷发状、中凹台状、粗糙
9	Saccharothrix espanaensis	西班牙糖丝菌	99.49	糖丝菌属	放线菌门	白色、覆轮状、粗糙、边缘整齐
10	Streptomyces lavendofoliae	薰衣草链霉菌	100	链霉菌属	放线菌门	白色、圆形、菌丝体状、粉状孢子
11	Streptomyces phaeochromogenes	显色链霉菌	100	链霉菌属	放线菌门	粉红色、圆形、同心环、粉状孢子
12	Streptomyces gulbargensis	古尔巴根链霉菌	100	链霉菌属	放线菌门	粉红色、椭圆形、同心环、粉状孢子
13	Actinoplanes teichomyceticus	泰式放线菌	98.54	游动放线菌属	放线菌门	橙黄色、不规则状、较硬、无明显粉状孢子
14	Streptomyces griseiscabiei	灰色链霉菌	99.86	链霉菌属	放线菌门	黄色、不规则状、粉状孢子
15	Acinetobacter calcoaceticus	醋酸钙不动杆菌	100	不动杆菌属	变形菌门	白色、黏稠湿润、圆形、凸面边缘整齐
16	Saccharothrix ghardaiensis	加纳糖丝酵母	99.28	糖丝菌属	放线菌门	白色、粗糙、不规则状、中凹台状
17	Streptomyces zaomyceticus	早霉素链霉菌	100	链霉菌属	放线菌门	粉红色、圆形、菌丝体状、粉状孢子
18	Streptomyces viridochromogenes	绿色产色链霉菌	99.71	链霉菌属	放线菌门	淡黄色、圆形、粉状孢子

编号	淀粉水解	纤维素水解	尿素水解	明胶水解
1	—	—	24 h	—
2	—	—	36 h	—
3	1.38±0.02^ab	4.33±0.17^h	—	—
4	5.00±0.07^h	1.13±0.09^a	12 h	10 d
5	5.60±0.12ⁱ	3.22±0.04^f	—	—
6	3.64±0.04^g	4.20±0.10^h	48 h	5 d
7	1.76±0.07^d	—	36 h	—
8	—	—	—	—
9	3.00±0.11^f	3.00±0.05^e	—	—
10	1.50±0.05^bc	2.33±0.08^c	—	—
11	2.31±0.06^e	3.38±0.11^f	—	—
12	—	3.67±0.13^g	48 h	—
13	1.36±0.03^a	—	—	—
14	2.19±0.10^e	1.60±0.02^b	36 h	—
15	—	—	24 h	—
16	1.57±0.04^c	—	—	—
17	—	3.27±0.07^f	—	—
18	—	2.63±0.14^d	—	—

编号	淀粉水解	纤维素水解	尿素水解	明胶水解
1	—	—	24 h	—
2	—	—	36 h	—
3	1.38±0.02^ab	4.33±0.17^h	—	—
4	5.00±0.07^h	1.13±0.09^a	12 h	10 d
5	5.60±0.12ⁱ	3.22±0.04^f	—	—
6	3.64±0.04^g	4.20±0.10^h	48 h	5 d
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8	—	—	—	—
9	3.00±0.11^f	3.00±0.05^e	—	—
10	1.50±0.05^bc	2.33±0.08^c	—	—
11	2.31±0.06^e	3.38±0.11^f	—	—
12	—	3.67±0.13^g	48 h	—
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14	2.19±0.10^e	1.60±0.02^b	36 h	—
15	—	—	24 h	—
16	1.57±0.04^c	—	—	—
17	—	3.27±0.07^f	—	—
18	—	2.63±0.14^d	—	—