国内土壤科研进展（2020年第23期）
导 读
南京土壤所在环境中镉的迁移转化机制研究中取得进展等5则进展。
来源：根据中国科学院、华中农业大学资环学院、西北农林科技大学等单位网站近期相关报道整理
南京土壤所在环境中镉的迁移转化机制研究中取得进展
镉（Cd）是环境中具有较强毒性的重金属之一，活性强，对人类健康造成一定威胁。环境中的氧化锰对重金属具有较强固定能力，是环境中Cd的主要载体之一。中国科学院南京土壤研究所研究员王玉军团队的早期研究发现，在氧化还原交界面上（如干湿交替的稻田、湖泊和海洋的氧化还原渐变带等区域），还原性物质（如Fe(II)、Mn(II)）可改变氧化锰的性质，形成次生矿物，进而影响氧化锰对Cd的固定（Chemical Engineering Journal，2018 353：165-175；Environment International，2019 130：104932）。土壤中的还原性硫可有效还原氧化锰、可与Cd形成络合物/沉淀，还原性硫的双重效应使土壤中Cd的归趋变得更复杂，但学界尚不清楚其环境化学过程与机制。
为此，王玉军团队针对“还原性硫（S2-、半胱氨酸）如何影响吸附于氧化锰表面Cd的形态转化”这一问题开展了深入探究。研究发现，低浓度的S2-使Cd从氧化锰的空穴位转移到边缘位；高浓度的S2-使吸附于氧化锰表面的Cd转化为CdS沉淀。当pH较低时，半胱氨酸的加入使初始吸附于氧化锰空穴位的Cd释放到溶液中，一部分Cd转移至氧化锰边缘位；当pH较高时，高浓度的半胱氨酸使Cd从氧化锰表面解吸，释放的Cd被新生成的含Mn（III）矿物进行再吸附及形成Cd-半胱氨酸沉淀。总之，Cd的形态转变由还原性硫导致的氧化锰的溶解、产生的Mn（II/III）对吸附位点的竞争、Cd（II）与还原性硫形成沉淀三种机制共同作用。Cd（II）从氧化锰表面的释放及从空穴位至边缘位的转移会增加Cd的活性；CdS及半胱氨酸-Cd沉淀的形成会降低Cd的环境风险。因此，当氧化锰与还原性硫共存时，与氧化锰结合的Cd的生物可利用性和迁移行为变得更复杂。该研究对预测氧化还原交界面上Cd的生物有效性及开展Cd污染修复具有指导意义。
相关研究成果发表在Environmental Science & Technology上，研究工作得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、中科院知识创新工程重大项目的支持。
论文链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c02936
南京土壤所在环境中镉的迁移转化机制研究中取得进展
植物所阐明冻土融化对土壤微生物的影响及其途径
作为生物地球化学循环的引擎，土壤微生物在陆地生态系统碳循环中发挥重要作用，特别是在气候变暖背景下，冻土融化导致长期封存在冻土中的有机碳被微生物分解、释放在大气中，进而形成对气候变暖的正反馈。因此，阐明土壤微生物群落对冻土融化的响应，对于准确预测冻土碳循环与气候变暖之间的反馈关系具有重要意义。然而，已有研究主要关注活动层厚度增加对土壤微生物的影响，较少研究剧烈的冻土融化形式，如热融塌陷等发生后，土壤微生物群落结构和功能的变化。
中国科学院植物研究所研究员杨元合研究组依托在青藏高原冻土区建立的热融塌陷观测平台，基于宏基因组测序、室内培养和碳分解模型等手段，揭示了土壤微生物群落结构、功能基因丰度和功能潜势沿冻土塌陷序列的变化及其驱动因素。研究发现，热融塌陷16年后，表层土壤微生物α多样性下降，β多样性、功能基因丰度及功能潜势均发生显著变化：降解活性碳组分的功能基因丰度下降；降解惰性碳组分的功能基因丰度增加，且微生物对惰性碳组分的降解能力增强。进一步研究发现，冻土融化引起的底物变化是驱动土壤微生物群落结构和功能变化的主要因素。该研究拓展了学界关于冻土融化对土壤微生物影响机制的认识。
相关研究成果发表在Global Change Biology上，植物所已毕业博士研究生刘富庭为论文第一作者，杨元合为论文通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金、第二次青藏高原综合科学考察研究等的支持。
论文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.15438
冻土热融塌陷对土壤微生物群落结构和功能的影响及其关键途径
华中农大在土壤矿物-微生物相互作用研究方面取得新进展
核心提示： 近日，我校农业微生物学国家重点实验室、资源与环境学院土壤生物化学团队在Applied and Environmental Microbiology在线发表题为“Outer membrane c-type cytochromes OmcA and MtrC play distinct roles in enhancing the attachment of Shewanella oneidensis MR-1 cells to goethite”的研究论文，研究结果为细菌-土壤矿物相互作用研究提供了新思路。
图A：ΔmtrC (a)、ΔomcA (b)与针铁矿之间粘附作用力，FΔmtrC > FΔomcA。图B：希瓦氏菌在针铁矿表面粘附2 h和4 h后的激光共聚焦显微镜图像及粘附细菌密度统计结果。0~2 h, WT和ΔmtrC的细胞密度显著增加；2~4 h, WT和ΔomcA的细胞粘附量显著增加。图C：(a) OmcA和MtrC在细菌外膜分布的曼德斯共定位系数统计结果，MtrC的缺失减少了OmcA在细胞外膜的分布。 (b, c) ΔomcA二维红外光谱图，ΔomcA与针铁矿粘附过程中形成了P-OFe键 (1046 cm-1)。
南湖新闻网讯（通讯员 景新新 吴一超）近日，我校农业微生物学国家重点实验室、资源与环境学院土壤生物化学团队在Applied and Environmental Microbiology在线发表题为“Outer membrane c-type cytochromes OmcA and MtrC play distinct roles in enhancing the attachment of Shewanella oneidensis MR-1 cells to goethite”的研究论文，研究结果区分了希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）外膜c型细胞色素OmcA和MtrC在细菌-矿物界面过程中的贡献，为MtrC在胞外电子传递中的中心地位提供了新的证据，将土壤微界面化学与生物过程研究推进到单细胞水平，为细菌-土壤矿物相互作用研究提供了新思路。
微生物异化铁还原是厌氧环境中普遍存在的一种微生物代谢形式，微生物以胞外不溶的铁氧化物作为末端电子受体，通过氧化电子供体偶联Fe(Ⅲ)的还原，产生生命活动所需的能量。微生物异化铁还原过程在土壤、河流沉积物、水体等环境中广泛存在，对于铁、碳、氮等元素生物地球化学循环、含铁氧化物的形成与转化、污染物的固定和降解等过程具有重要的环境意义。外膜c型细胞色素OmcA和MtrC作为希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）胞外电子传递的末端还原酶，其与铁氧化物的结合方式、亲和力在细菌与铁氧化物之间的电子传递及Fe(Ⅲ)还原中发挥着关键作用，但两种细胞色素调控希瓦氏菌在铁氧化物表面吸附过程与机制并不清楚。
本研究以希瓦氏菌（S. oneidensis MR-1）的野生型菌株及外膜c型细胞色素OmcA、MtrC缺失的突变株（ΔomcA，ΔmtrC，ΔomcA-ΔmtrC）为研究对象，基于石英晶体微天平（QCM-D）、衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、原子力显微镜（AFM）等多种界面过程分析手段，探究四种菌株在针铁矿表面的吸附动力学过程、吸附过程中细胞表面官能团变化、细菌与针铁矿的相互作用力，区分OmcA、MtrC在细菌-矿物互作过程中的贡献。QCM-D定量模型拟合表明，MtrC使单细胞与针铁矿之间的接触弹性和接触面积均提高了2倍多；二维红外分析结果进一步显示，MtrC有利于细菌与针铁矿相互作用过程中内圈络合物的形成；AFM的测定结果表明，OmcA使细菌与针铁矿之间的粘附力增加了60%。这些研究结果揭示了细胞外膜的OmcA蛋白在细菌初期定殖过程中发挥重要作用，而MtrC蛋白在细菌后期定殖过程中作用更显著。
我校农业微生物学国家重点实验室、资源与环境学院博士生景新新和吴一超副研究员为论文共同第一作者，蔡鹏教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、牛顿高级学者基金、国家重点研发计划、以及华中农业大学自主创新基金等项目的支持。
文章链接
https://aem.asm.org/content/86/23/e01941-20
西北农林科技大学水保所在黄土高原旱地作物持续高产研究取得新进展
近日，水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室王仕稳团队在《Agricultural and Forest Meteorology》期刊发表了题为《Sustainable high yields can be achieved in drylands on the Loss Platea by changing water use patterns through integrated agronomic management》的研究论文。资环学院在读博士生杨文稼为论文第一作者，水保所王仕稳研究员为通讯作者。
由于降雨偏少且与冬小麦生长季节不匹配，黄土高原冬小麦产量普遍偏低。如何实现旱地作物的持续高产稳产一直是旱地农业发展面临的问题。本研究连续5年（2015-2019）在长武黄土高原农业生态试验站探讨了如何通过综合农业措施实现旱地小麦的持续高产。研究结果表明，在肥料综合管理系统（MIS）或生物炭集成系统（BIS）下冬小麦的平均产量可达到近6000 kg hm-2，同时水分利用效率可提高到1.63-1.69 kg m-3。研究结果揭示了水分利用效率提高的主要原因在于生长早期（从播种期到返青期）降水损失减少（即土壤蓄水量增加）和生长后期（从返青到收获期）深层土壤水（1m--3m）的利用增加，从而实现了对水分利用的时空调控，为黄土高原冬小麦持续高产提供理论依据。
该研究得到了国家和学校相关经费的资助。
论文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168192320303129
西北农林科技大学资环学院何海龙副教授在《Earth-Science Reviews》发表最新研究成果
近日，资源环境学院何海龙副教授在《Earth-Science Reviews》期刊发表了题为“Room for improvement: A review and evaluation of 24 soil thermal conductivity parameterization schemes commonly used in land-surface, hydrological, and soil-vegetation-atmosphere transfer models”的研究论文。何海龙副教授为该论文第一作者，司炳成教授和吕家珑教授为共同通讯作者。
土壤水热特征是开展农业生产、生态和环境科学研究及工程应用的关键参数。其中，土壤热导率模型常常集成在陆面模式、土壤-植物-大气传输系统及水文模型中用于模拟土壤热状况、地表热通量及能量平衡。目前文献中存在大量的热导率模型，但研究表明不同的热导率模型得到模拟结果差异显著，且屏蔽了气候变化的影响。因此，选择准确的土壤热导率模型对气候变化背景下地球关键带热量传输与交换相关的数值模拟具有重要意义。本研究首次利用大量的土壤热导率实测数据（冻结或非冻结状态）、MODIS卫星观测的地表温度数据并结合CLM4.5对38个主流陆面模式、土壤-植物-大气传输系统及水文模型中包含的24个土壤热导率模型进行了系统评价。研究表明不同热导率模型的模拟性能受土壤类型、冻结状态、数据集大小等因素显著影响，并提出未来需要建立更加广泛全面的热导率数据库并开发准确的土壤热导率预测模型。研究成果将对土壤水热测定，水热耦合传输和模拟研究提供重要的参考和指导。
该研究获国家、陕西省以及学校有关项目联合资助。
文章链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825220304657
“土壤家”近期文章推荐
“环境与健康观察”近期文章推荐
“土壤观察”近期文章推荐
更多好书，长按识别二维码，或点击阅读原文了解
由于微信修改了推送规则，请大家将土壤观察加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到土壤观察推文！联系我们，加入土壤观察读者交流群请加13719364476微信号（或发邮件至149996384@qq.com）