土壤重金属污染因其累积性和隐蔽性已成为全球广泛关注的环境问题。重金属胁迫显著改变土壤微生物代谢及其介导的生物地球化学过程，进而扰动养分循环，削弱土壤生态功能。土壤有机碳（SOC）是维系土壤结构、养分循环和微生物过程的重要基础，也是发挥土壤功能的核心要素，其形成转化与微生物代谢密切相关。微生物碳利用效率（CUE）反映微生物摄取碳在生物合成与呼吸消耗之间的分配，是连接微生物碳代谢与土壤碳储存的关键参数，被广泛用于预测土壤碳库动态及其对环境变化的响应。近年来，污染土壤治理已由单纯追求重金属固定或去除，逐步转向兼顾环境安全与生态功能恢复的可持续修复模式。因此，系统解析污染修复过程中微生物CUE及CO₂排放的动态变化，对于评估土壤修复后的生态功能恢复潜力以及优化修复策略具有重要意义。

本研究以某有色金属冶炼场地为研究对象，围绕土壤修复后碳循环功能如何恢复这一科学问题，构建“碳通量测定-活性菌群解析-单细胞生理表征”的多尺度研究框架，追踪120天修复过程中微生物碳分配及生理性状的动态变化。重金属胁迫加剧土壤微生物呼吸性碳损失，而环境修复则大幅度降低土壤CO₂排放，同时提高微生物生长速率和碳利用效率（CUE），从而增加土壤碳储存潜力。拉曼光谱原位监测发现，随着土壤修复过程推进，与微生物生长密切相关的磷脂、核酸和蛋白质等生物分子持续增加，并揭示出微生物生理性状改变是连接污染风险削减与土壤碳循环功能恢复的核心。

该研究从微生物碳分配视角揭示了环境修复重塑污染土壤碳循环的新机制，系统阐明了土壤修复过程中“胁迫缓解-呼吸性碳损失降低-微生物碳保留增强”的连续响应过程，并将单细胞生理性状纳入污染土壤碳循环恢复的解释框架，揭示微生物碳代谢由高耗能的胁迫维持逐步转向生长和生物量合成。相关发现建立了污染风险削减与土壤碳储存功能恢复之间的生物学联系，拓展了对环境修复生态效应及土壤碳循环过程的认识，为科学评估修复土壤生态功能恢复程度及长期碳储存潜力提供了新的量化依据，对推动老工业区搬迁场地实现减污、固碳与生态恢复协同增效具有重要科学意义。研究成果以 “Microbial physiological trait shifts link heavy metal remediation to enhanced soil carbon storage potential” 为题，发表于国际微生物生态学领域顶尖期刊 The ISME Journal。中国科学院城市环境所2022级直博生薛睿为论文第一作者，崔丽研究员为通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划项目（No. 2022YFF0713100，2019YFC1803600），国家自然科学基金项目（22176186），福建省攻青项目（2024J011016）和福建省科技创新领军人才支持。

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重金属修复对不同污染土壤（轻、中、重）微生物碳代谢及与呼吸相关基因组的影响

（文：城市土壤生物地球化学过程创新团队；图：城市土壤生物地球化学过程创新团队）