Screening， identification and carbon fixation capacity assessment of chemolithoautotrophic microorganisms in biological soil crusts of Mu Us Sandy Land

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

Journal of Desert Research ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (5): 217-229.DOI: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00119

Screening， identification and carbon fixation capacity assessment of chemolithoautotrophic microorganisms in biological soil crusts of Mu Us Sandy Land

Guangwei Zhao¹(), Xiangwen Niu⁵, Cunlin Bai⁵, Yanrong Meng¹, Yuqing Zhang¹^,³^,⁴, Shugao Qin², Weiwei She², Wei Feng²()

^1.Yanchi Research Station /, Ministry of Education，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China
^2.State Key Laboratory of Efficient Production of Forest Resource /, Ministry of Education，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China
^3.National Engineering Research Center for Tree Breeding and Ecological Restoration /, Ministry of Education，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China
^4.Key Laboratory of National Forestry and Grassland Administration on Soil and Water Conservation /, Ministry of Education，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China
^5.Engineering Research Center of Forestry Ecological Engineering, Ministry of Education，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China
^6.Administrative Bureau of Ningxia Haba Lake National Nature Reserve，Yanchi 751500，Ningxia，China

Received:2025-02-11 Revised:2025-05-15 Online:2025-09-20 Published:2025-09-27
Contact: Wei Feng

Abstract

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

CLC Number:

Q934

Guangwei Zhao, Xiangwen Niu, Cunlin Bai, Yanrong Meng, Yuqing Zhang, Shugao Qin, Weiwei She, Wei Feng. Screening， identification and carbon fixation capacity assessment of chemolithoautotrophic microorganisms in biological soil crusts of Mu Us Sandy Land[J]. Journal of Desert Research, 2025, 45(5): 217-229.

Figures/Tables 8

References 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
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	—	—
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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	—	—

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