碳中和是一种新型的环保方式，是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接的温室气体排放总量，通过各种形式，以抵消自身产生的CO₂排放量，实现"CO₂零排放"。这个概念在2020年9月22日，由中国政府在第七十五届联合国大会上首次提出，并在2021年3月5日，国务院政府工作报告中再次被强调，成为了一个环保热门词汇。而鲁大师发现小小的微生物居然也可以在碳中和中发挥作用，那就是微生物固碳。微生物固碳里就是微生物吸收无机碳并将其转化为生物质，这是自然界无机碳转化为有机碳并进入生物圈的重要途径，可以减少大气中二氧化碳的含量，缓解温室效应。
目前已知的微生物固碳主要有以下途径：
1、卡尔文-本森-巴沙姆循环（SBS循环）
缩写SBS循环，这是最为熟知的固碳途径，也就是光合作用中的暗反应，该反应在叶绿素中进行。主要存在蓝细菌、绝大多数光合细菌和全部好氧的化能自养菌中，核心是RuBisCO酶催化的羧化反应。卡尔文循环一共分成三个阶段，第一个阶段是就是CO₂的固定，这个过程由RuBisCO酶催化，CO₂附着在ribulose-1,5-bisphosphate(简称 RuBP)的五碳糖上, 会生成一个不稳定的6C中间产物，并且会快速裂解成2个分子的3-磷酸甘油酸（PGA）。接下来就进入到第二个碳还原阶段，也就是把PGA 还原成3-磷酸甘油醛G3P。最后一个阶段就是核酮糖二磷酸Rubp的再生，让其可以继续和CO₂结合。在循环的过程中可以生成葡萄糖等糖类。
图 1 卡尔文循环图示
2、Wood-Ljungdahl 途径
这条途径又称为厌氧乙酰辅酶 A 途径，这是产乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等细菌在厌氧条件对二氧化碳进行固定的一条途径，比卡尔文循环来的更加经济和快捷。
3、还原三羧酸酸循环
缩写 rTCA 循环，这个循环主要存在于少数光合紫色细菌和绿硫细菌中。
图 2 还原三羧酸酸循环图示
我们有很多科学家在从事微生物固碳领域的研究，今天鲁大师给大家分享一下上海大学胡佳俊教授团队近几年在利用土壤改良剂优化微生物固碳效率方面的研究。
PART 1 土壤改良剂对于微生物固碳的优化
土壤改良剂是指可以改善土壤物理性，促进作物养分吸收，而本身不提供植物养分的的物料总称。生物炭和有机肥料都是常用的土壤改良剂。生物炭能吸附土壤中的氨和磷酸盐，促进溶磷微生物的生长活性，从而加速磷被植物根系吸收，促进植物生长。有机肥料被广泛运用在农业生产上。而这次研究的微生物主角则是微藻，一种天然的固碳利器，直接从空气中捕获CO₂并转化为生物质。微藻是一种自养微生物，含有叶绿素可以进行光合作用，通过上述卡尔文循环路径进行固碳，并进化出了微藻CO2浓缩机制。
图 3 藻类分类图示
胡佳俊团队以上述这三种原料，研究其微生物固碳的机制，并致力于提高固碳效率。他们先在上海崇明岛上进行了为期40天的大田实验。结果表明，分别添加了微藻、有机肥和生物炭的土壤均比对照组表现出更高有机碳含量，而在时间维度上，有机肥料组和生物炭组的有机碳含量均在实验前期有显著的上升，而低浓度和中浓度的微藻添加组的有机碳含量则出现了上下的波动（图4a和b）。那么如果将微藻和添加物混合又会有怎么样的效果呢？在接下来的实验中，科研人员制定了四个分组：
1、对照组（纯微藻组）
2、微藻-有机肥组
3、微藻-生物炭组
4、微藻-生物炭-有机肥组
图 4 土壤添加剂-微藻固碳研究结果。a、不同浓度的微藻（Algae）对土壤含碳量的影响；b、有机肥（OF）和生物炭（Biochar）对土壤含碳量的影响；c、微藻中添加有机肥或生物炭或三者混合对土壤含碳量的影响；d、微藻中添加有机肥或生物炭或三者混合对微藻叶绿素a的影响
实验证明微藻存在的情况下增加有机肥，或增加生物炭可以显著增加微藻的固氮能力（见图4c），其中微藻-生物炭组和微藻-有机肥组分别比对照组增加 67 %和16% 的土壤含碳量。
为了进一步验证微藻、有机肥和生物炭可以促进土壤的含碳量，胡佳俊团队又在实验室中研究了有机肥和生物炭促进微藻固碳的机制。上文已经提到微藻是利用光合作用来进行固碳的，叶绿素a的含量可以作为一个重要指标。经过检测，添加了有机肥，生物炭和两者混合的微藻实验组中，微藻叶绿素a含量更高（图4d）。
而光合作用涉及到重要碳代谢产物就是糖类（包括细胞外和细胞内的糖含量）。于是团队成员采用高效液相层析法检测了各实验组的含糖量。结果显示有机肥在细胞内糖的产生中起积极作用，而对细胞外糖的生产起负作用。这就说明有机肥的存在导致更多的碳被固定在微藻细胞中。生物炭除了可以提高细胞外糖和胞内糖的产量外，还可以通过改变细胞外糖的类型来改变微藻的碳代谢途径。而有机肥和生物炭同时存在，微藻固碳的促进效应可以叠加。
研究小结
因此结合前人的研究成果，有机肥和生物炭对微藻固碳效率提高的可能机制如下：
生物炭：
A、生物炭可以吸收土壤有机质在其表面，避免其被土壤微生物分解
B、生物炭促进微藻的碳代谢，将更多的碳转化为胞内碳水化合物，使更多的碳作为微藻胞内的物质固定在土壤中，增加微藻固碳能力。
有机肥：
除了和生物炭一样可以促进微藻的碳代谢，有机肥作为一种有机碳源，可直接被土壤微生物利用，导致其作为添加剂对微藻土壤固碳的作用低于生物炭。但是当其和生物炭同时均存在微藻时，增强微藻的固碳作用。
PART 2:土壤微生物对于微藻及土壤改良剂之间的研究
胡佳俊团队的研究并没有浅尝辄止，他们在研究中发现大田试验和实验室中的实验结果还是有所差异。实验中的两者土壤的区别在于大田实验中的土壤没有经过灭菌消杀，存在各种土壤微生物。那么这些土壤微生物在维生素固碳过程中是否又起到了一定影响呢？
于是胡佳俊团队在接下来的实验中对土壤微生物也进行了研究。
在新的实验中，科研人员采集添加了微藻，有机肥和生物炭，以及彼此混合添加的土壤，检测土壤含碳量，并提取土壤微生物，进行高通量测序，来检测其微生物群落结构。
这一次科研人员对微藻，有机肥和生物炭进行了配比，一共有6个实验组：
1、空白组：微藻0.2g/L
2、生物炭组：微藻0.2g/L+1.56g/L生物炭
3、有机肥组：微藻0.2g/L+1.56g/L有机肥
4、OMB-1组：微藻0.2g/L+1.56g/L生物炭+1.56g/L有机肥
5、OMB-2组：微藻0.2g/L+1.56g/L生物炭+3.12g/L有机肥
6、OMB-4组：微藻0.2g/L+1.56g/L生物炭+6.24g/L有机肥
图 5 不同实验组中微生物群落组成
结果表明，在土壤中同时添加微藻、有机质和生物炭与各自单独添加对土壤微生物群落变化的影响不一样。结合之前的研究，土壤有机质是土壤微生物的内生有机碳源，在含生物炭或有机肥的处理中，从生物炭或有机肥中溶解的有机质和微藻代谢物可能是土壤微生物的外源碳源，而空白处理中微生物唯一的外源碳源是微藻代谢物。表明土壤微生物群落结构受到三种外源碳源的影响。微藻的代谢也可能受到土壤微生物群落的影响，导致不同处理的固碳能力发生变化。
在所有的实验组中，OMB-4表现出最好的固碳性（图6a），因此对这个实验组微生物群落变化进行了研究。实验结果表明随着时间推移，一些土壤微生物，例如Rhodobacteraceae（红杆菌科）和Chitinophagaceae（壳聚糖科）相对丰度增加, 但是另一些则出现了下降，例如Cyclobacteriaceae（环菌科）和Sphingomonadaceae（鞘单胞菌科）（图6b）。后续的相关性研究则显示微藻的生长和代谢有利于部分特定的土壤微生物生长（红杆菌科和壳聚糖科）而提高其固碳能力。
图 6 OMB-4实验组固碳和微生物群落变化
研究小结
胡佳俊团队发现同时添加微藻、生物炭和有机肥料(OM)作为混合土壤改良剂，提高了土壤提取物的固碳能力。微藻、生物炭和有机肥之间的相互作用是由土壤微生物介导的。生物炭和有机肥可显著影响微藻代谢物的浓度，土壤微生物以微藻代谢物作为碳源，导致了土壤微生物群落结构的变化，从而促进了微藻的固碳能力。
注：文章部分图片来源于网络，侵权立删，科研数据内容均参考于胡佳俊团队已发表文章
1、Hu J., Guo H., Xue Y., Gao M.-t., Zhang S., Tsang Y.F., Li J., Wang Y.-n., Wang L. Using a mixture of microalgae, biochar, and organic manure to increase the capacity of soil to act as carbon sink. Journal of Soils and Sediments, 2019, 19: 3718-3727.
2、 Zhang S., Wang L., Wei W., Hu J.*, Mei S., Zhao Q., Tsang Y.F. Enhanced roles of biochar and organic fertilizer in microalgae for soil carbon sink. Biodegradation, 2018, 29: 313-321.
工欲善其事，必先利其器
胡教授团队在研究微生物时，采用了MO BIO公司的微生物提取试剂盒，MO BIO公司在2015年被国际样本处理巨头凯杰QIAGEN收购。凯杰QIAGEN整合了MO BIO 土壤微生物提取产品，并进行了升级。在文章的最后让鲁大师来给大家介绍一款凯杰QIAGEN 土壤微生物提取的明星产品，这绝对是您提取微生物的“不二法门”！
产品名：DNeasy PowerSoil Pro Kit
| 货号 | 规格 | 介绍 |
| 47014 | 50 Test | 使用所有土壤类型，细菌真菌均可，产出率可提高8倍，带有专利IRT去抑制因子技术，维持样品微生物的alpha多样性 |
| 47016 | 250 Test |
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