氮肥的使用雖然提高了作物產(chǎn)量，解決了20世紀初由于氮素限制導致的糧食低產(chǎn)問(wèn)題，但同時(shí)也帶來(lái)了環(huán)境問(wèn)題。Haber-Bosch工藝的發(fā)明使得大氣中的氮氣得以轉化為氨，極大地推動(dòng)了農業(yè)生產(chǎn)，但也使得農民能夠無(wú)節制地使用氮肥，導致大量氮素流失到環(huán)境中。這些流失的氮素不僅在農業(yè)土壤中直接產(chǎn)生N2O排放，還通過(guò)地下水和地表水的輸入間接產(chǎn)生N2O排放。為了減少N2O排放，提高農業(yè)生態(tài)系統的氮利用效率是一個(gè)關(guān)鍵的途徑。除了通過(guò)政策和改進(jìn)現有農業(yè)技術(shù)外，通過(guò)生物工程手段直接操縱土壤微生物群落，尤其是增強土壤中N2O還原為N2的能力，具有更大的減排潛力。在土壤中，N2O的生物還原主要依賴(lài)于NosZ酶，這是一種能夠將N2O催化還原為N2的酶。然而，如何通過(guò)生物工程手段增強土壤中NosZ活性，以減少N2O排放，一直是一個(gè)技術(shù)挑戰。

針對這一挑戰，文章研發(fā)了一種新技術(shù)，通過(guò)使用有機廢物作為基質(zhì)和載體，篩選出能在土壤中生存并具有N2O還原能力的細菌Cloacibacterium sp.CB-01。利用了CB-01菌株的NosZ活性，通過(guò)在有機廢料中培養該細菌，然后將這些廢料施用到土壤中，以此來(lái)增強土壤的N2O還原能力，減少N2O排放。研究的目標是在不犧牲農業(yè)生產(chǎn)力的前提下，找到一種成本效益高且可持續的減少農業(yè)土壤N2O排放的方法。

通過(guò)使用微傳感器土壤剖面分析系統（unisense）和氣相色譜法測試了CB-01菌株在土壤中的持久性和對N2O排放的長(cháng)期影響。并研究了CB-01的添加對土壤微生物群落的結構和多樣性沒(méi)有負面影響。

Unisense一氧化氮微電極系統的應用

氧(O2)和一氧化二氮(N2O)微剖面在控制和富氮容器中的每個(gè)農田土壤芯的頂部0-1厘米處測量，使用帶有電動(dòng)顯微操作器設置的電化學(xué)微傳感器。Clark型氧氣(O2)微傳感器和一氧化二氮(N2O)微傳感器（尖端直徑=100μm，90%響應時(shí)間<8 s，攪拌靈敏度<1%）用于測量O2和N2O微觀(guān)分布。在剖面測量之前，將O2微型傳感器暴露于H 2 S作為預污染以避免測量期間校準漂移。并在0%和100%空氣飽和水中進(jìn)行校準，而N2O微型傳感器在水中進(jìn)行校準，使用N2O飽和溶液作為N 2 O源的O濃度為0和100μM N 2 O。通過(guò)將微型傳感器尖端定位在土壤核心表面（使用立體顯微鏡進(jìn)行可視化）進(jìn)行剖面測量，直到土壤深度達到9 mm(O2)和8 mm(N2O）。O2的深度增加了200μm，N2O的深度增加了400μm。通過(guò)使用連接到運行專(zhuān)用定位和數據采集軟件的筆記本電腦控制自動(dòng)微操作器。對于每個(gè)核心，測量不同位置的三個(gè)重復，然后平均每個(gè)微傳感器類(lèi)型的每個(gè)核心產(chǎn)生一個(gè)重復。

圖1N2O還原的生物動(dòng)力學(xué)，CB-01與其他菌株的比較。

圖2CB-01對pH 6.7的粘土壤中N2O排放的影響。

圖3檢查CB-01的偶然效應。

圖4不同土壤中CB-01減少N2O排放的效果。

圖5試驗地中CB-01減少N2O排放的效果。

圖6CB-01在土壤中的生存情況。

實(shí)驗結果

在實(shí)驗室條件下，CB-01菌株在無(wú)氧條件下可以將N2O還原為N2，但其生物動(dòng)力學(xué)參數（如Vmax為0.11 h?1，Km為12.9μM N2O）與其他N2O呼吸細菌相比并不優(yōu)越。在田間實(shí)驗中，使用CB-01菌株處理的土壤，通過(guò)施用生物沼氣生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢渣，能夠將N2O排放量減少50-95%，具體效果取決于土壤類(lèi)型。CB-01菌株在土壤中的持久性和對N2O排放的長(cháng)期影響與其在土壤中的穩定性有關(guān)，而不是其生物動(dòng)力學(xué)參數，同時(shí)CB-01的添加對土壤微生物群落的結構和多樣性沒(méi)有負面影響。在歐洲使用CB-01技術(shù)預計可以減少5-20%的人為N2O排放，如果包括其他有機廢料，減排潛力可能更大。