中国农业大学卢奕丽团队npj Biofilms Microbi.:微生物重塑土壤水汽吸附交叉学科领域取得新进展

近日，中国农业大学土地科学与技术学院卢奕丽副教授团队在微生物重塑土壤水汽吸附这一交叉学科领域取得新进展。相关研究成果以《生物膜重塑土水关系：干区水汽吸附增强和滞后逆转效应》（Biofilms reshape soil-water dynamics with enhanced vapor adsorption and hysteresis reversal under dry conditions）为题，于4月6日在线发表于《自然》（Nature）旗下期刊《npj生物膜和微生物组》（npj Biofilms and Microbiome）。

土壤水分是维持生态系统功能，尤其是干旱区生态稳定性的核心要素。在自然土壤中，超过99%的细菌以生物膜（Biofilm）的形式存在。干旱胁迫下，细菌通过分泌胞外聚合物（EPS）构建生物膜，是微生物增强环境适应能力的关键生存策略。现有研究多聚焦相对湿润环境，已证实EPS可显著提高土壤持水性能；但在极端干旱条件（基质势≤−10 MPa）下，生物膜能否调控土壤水汽吸附与释放过程，仍缺乏系统性认知。

针对上述科学问题，研究团队选取不同质地土壤，分别接种具有生物膜形成能力的野生型及EPS缺陷型菌株（恶臭假单胞菌Pseudomonas putida、枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis），结合高精度水汽吸附动态分析技术，系统解析了极端干燥区间（−400MPa至−10MPa）内，生物膜介导的土壤水汽吸附等温线及其滞后特征。

研究证实，极端干燥土壤中细菌仍可维持活性与稳定的生物膜结构，并通过双重核心机制重塑土壤水汽吸附行为：其一，生物膜显著强化土壤水汽吸附能力，不同类型土壤的水汽吸附量提升幅度达10%–49%；其二，在低水活度区间（水活度a_w<0.6），传统由土壤矿物表面主导的吸附–解吸滞后现象发生滞后反转，即吸附过程含水量高于解吸过程，呈现独特的干区水分行为特征（图2）。机制解析表明，eps富含羧基（–cooh）、羟基（–oh）等亲水官能团，可通过氢键与静电作用强化水分子结合能力；同时，eps的吸胀效应改变土壤颗粒表面能状态，覆盖矿物表面并抑制阳离子水合与颗粒表面水合过程，从分子尺度重构土壤水分吸附机制。

图1（A）干燥土壤颗粒表面的细菌细胞活性观测；（B）细菌介导的土壤水汽吸附等温线及其滞后特征

基于上述发现，团队构建了生物膜介导的土壤水汽吸附统一调控框架，将传统“单层吸附–多层吸附–毛管凝聚”的物理主导过程，拓展为包含生物膜水合主导阶段的全新机制体系（图3）。该研究首次从定量层面揭示，极端干燥条件下生物膜对土壤水分动态起主导调控作用，提出生物膜可作为“生物海绵”，高效增强土壤对水汽的捕获、持留与缓冲能力。此项成果深化了土壤–水–微生物互作机制的科学认知，为干旱与半干旱地区土壤水分精准管理、生态系统修复提供了全新理论依据与调控路径。

图2 生物膜介导的土壤水汽吸附调控机制框架示意图

中国农业大学为该论文的第一完成单位。土地科学与技术学院2022级博士研究生胡欢为论文第一作者，卢奕丽副教授为论文通讯作者，土地科学与技术学院陈冲副教授、任图生教授以及美国爱荷华州立大学Robert Horton教授共同参与研究。该研究得到国家重点研发计划项目（2023YFD1500300）、国家自然科学基金（42177273）、美国国家自然科学基金（2037504）、美国农业部国家食品与农业研究所项目（USDA-NIFA, 5188）以及中国农业大学2115人才培育发展支持计划的资助。