氮肥的使用雖然提高了作物產量，解決了20世紀初由于氮素限制導致的糧食低產問題，但同時也帶來了環境問題。Haber-Bosch工藝的發明使得大氣中的氮氣得以轉化為氨，極大地推動了農業生產，但也使得農民能夠無節制地使用氮肥，導致大量氮素流失到環境中。這些流失的氮素不僅在農業土壤中直接產生N2O排放，還通過地下水和地表水的輸入間接產生N2O排放。為了減少N2O排放，提高農業生態系統的氮利用效率是一個關鍵的途徑。除了通過政策和改進現有農業技術外，通過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，一直是一個技術挑戰。

針對這一挑戰，文章研發了一種新技術，通過使用有機廢物作為基質和載體，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生產力的前提下，找到一種成本效益高且可持續的減少農業土壤N2O排放的方法。

通過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農田土壤芯的頂部0-1厘米處測量，使用帶有電動顯微操作器設置的電化學微傳感器。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%響應時間<8 s，攪拌靈敏度<1%）用于測量O2和N2O微觀分布。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%空氣飽和水中進行校準，而N2O微型傳感器在水中進行校準，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（使用立體顯微鏡進行可視化）進行剖面測量，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。通過使用連接到運行專用定位和數據采集軟件的筆記本電腦控制自動微操作器。對于每個核心，測量不同位置的三個重復，然后平均每個微傳感器類型的每個核心產生一個重復。

圖1N2O還原的生物動力學，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。

實驗結果

在實驗室條件下，CB-01菌株在無氧條件下可以將N2O還原為N2，但其生物動力學參數（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越。在田間實驗中，使用CB-01菌株處理的土壤，通過施用生物沼氣生產過程中產生的廢渣，能夠將N2O排放量減少50-95%，具體效果取決于土壤類型。CB-01菌株在土壤中的持久性和對N2O排放的長期影響與其在土壤中的穩定性有關，而不是其生物動力學參數，同時CB-01的添加對土壤微生物群落的結構和多樣性沒有負面影響。在歐洲使用CB-01技術預計可以減少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。