土壤是地球上最复杂的生态系统，微生物作为土壤中最活跃的组分，在土壤健康、植物生产力和生态安全等方面发挥着关键作用。据估计，土壤中超过80%的微生物以生物膜（Biofilm）形式存在。土壤生物膜的形成可帮助微生物获得生态优势，如促进细胞附着和水平基因转移、保护细胞防止被捕食、抵抗干旱、减少污染物的细胞毒性等。此外，这些定殖的生物膜，不仅可驱动土壤微团聚体的形成，影响土壤结构，同时也是调控土壤有机碳周转的关键。然而，影响土壤生物膜形成的环境和生物决定因素仍然未知，生物膜形成如何影响土壤微生物群落结构和代谢活性也不明确。

该项研究以表层土壤（采自湖北武穴）中提取的微生物为研究对象，基于人造土壤及多种分析手段，测定了不同营养水平下土壤生物膜的生物量、碳氮浓度及胞外聚合物（EPS）组成等，发现高养分输入是土壤生物膜形成的先决条件；16S rRNA扩增序列结果表明，在形成生物膜的土壤中，微生物群落的多样性和均匀度指数远高于未形成生物膜的土壤，其中Bacillus和Paenibacillus是土壤生物膜形成的关键菌属；通过测定葡萄糖代谢速率、土壤氧气分布及拟合土壤呼吸模型，发现土壤生物膜中活性微生物量和代谢速率分别是对照土壤的14和38倍。上述结果首次证实了土壤生物膜的形成可促进土壤微生物多样性和代谢活性，对于深入理解土壤生物过程的本质，更好的调控生物参与的养分循环、污染物降解和土壤健康具有重要意义。

此外，如何提取和定量土壤生物膜EPS一直缺乏有效的实验方法。近期课题组以我国南方红壤为研究对象，比较了5种土壤EPS提取方法：热水提取多糖法（HWEP）、热稀酸提取多糖法（HDAEP）、易提取球囊霉素法（EEG）、硫化物提取法（SS）和阳离子交换树脂法（CER）。结果表明，EEG和SS可以提取大量多糖和蛋白质，但会引起严重的胞外和胞内污染；HDAEP和HWEP只能提取土壤多糖，不能提取土壤蛋白质；CER提取的土壤多糖和蛋白质含量适中，同时引起的胞外与胞内污染程度最低，是有效的土壤EPS提取方法。

以上研究成果发表分别以“Soil biofilm formation enhances microbial community diversity and metabolic activity”和“Extraction of extracellular polymeric substances (EPS) from red soils (Ultisols)”为题发表在国际学术期刊《Environment International》（吴一超副教授为论文第一作者，蔡鹏教授为通讯作者）和《Soil Biology and Biochemistry》（博士生王双为论文第一作者，蔡鹏为通讯作者）。研究得到了国家自然科学基金、牛顿基金、国家重点研发计划项目以及AG真人国际自主创新基金项目的支持。

土壤生物膜形成提高微生物代谢活性示意图