生物膜主要是由细胞和 EPS 组成，其中 EPS 约占生物膜干重的 80%。在土壤环境中，EPS在细胞与细胞、细胞与土壤之间起着桥接作用，与土壤矿物或有机质一起构成了生物膜中的胞外基质。细菌分泌的EPS为细胞提供了有效保护，如饥饿条件下提供营养，干燥过程中保持水分，抵抗有毒化学物质对细胞的毒害以及减缓土壤温度、pH和盐度急剧变化对细胞造成的损伤等。EPS 也赋予了细菌各种生态优势，包括增强菌落黏附、维持生境异质性、支持互养共栖、防御毒素损害、改变遗传物质转移以及提供胞外酶储存和营养捕获的作用。土壤中细菌 EPS 的众多优势对于维护土壤健康至关重要。例如，菌落的粘附功能可提高土壤团聚体的稳定性；胞外酶的滞留有助于土壤的代谢稳定性。
微流控（Microfluidics，又称“芯片实验室”）是一种在微米尺度通道（10-1000 μm）中精确操控纳升至飞升级流体的跨学科技术。其核心通过微纳加工构建高度可控的物理化学微环境，模拟自然系统的关键特征（如土壤孔隙结构、微生物群落分布等），从而实现对微观过程的动态观测与精准调控。该技术起源于20世纪50年代的微电子与毛细管电泳研究，历经软光刻材料（如PDMS）、3D打印等工艺革新，于2016年拓展至环境领域并形成“土壤芯片”（Soil-on-a-chip）概念，成为解析土壤“黑箱”过程的革命性工具。微流控的三大核心优势尤为突出：其一，微观尺度与土壤孔隙、微生物尺寸天然契合，可定制人工土壤模型（如模拟团聚体、多相流）；其二，通过精密流体控制，可复现化学梯度、干湿循环等复杂环境条件，剥离自然土壤的不可控变量；其三，集成显微成像、光谱分析和电化学传感等多模态技术，实现污染物迁移、微生物互作等过程的原位可视化与定量解析。在土壤研究中，该技术已成功应用于界面过程（如纳米颗粒聚集、矿物溶解动力学）、微生物行为（趋化性迁移、生物膜演化）及高通量检测（重金属、营养盐快速筛查）等领域，并揭示微观机制与宏观现象（如碳封存、抗生素抗性基因扩散）的跨尺度关联。通过“芯片上重构土壤”，微流控突破了传统方法的空间分辨率与实验可控性限制，为土壤健康评估、污染修复和全球碳循环研究提供了全新范式，推动环境科学从经验描述向机制解析的范式转型。
合成菌群是通过工程化手段，设计并优化合成微生物社群，研究菌种间代谢分工与稳态维持机制，将少数关键菌种按功能组合构建的微生物群落，可实现单一菌种难以达到的涌现性功能。在作物育种中，以玉米为例，可在种子阶段施用仅由4–7株功能菌种构成的菌群包衣，重塑种子菌群并调控其初期组装，从而显著提升作物的生长势、养分吸收及抗病抗逆能力。该微生态系统精准塑造根际环境，形成稳定高效的植物—微生物互作网络，弥补单菌接种功能叠加的局限，为精准农业提供了新策略。在资源与环境管理领域，合成菌群同样展现出独特优势。通过筛选并组合具备特定代谢通路和功能基因的菌种，可调控土壤养分循环、促进有机质降解，并参与污染治理与生态修复。结合高通量筛选、组学技术及人工智能分析，能够深入解析菌群互作机理与功能耦合模式，推动实验室研究向实际应用转化，实现农业增产和环境修复的协同效益。
探讨土壤-微生物-根系交互界面中的物质与能量传递规律，揭示微界面尺度上的关键生态过程。 重金属的生物有效性受土壤不同固相组分对其吸附的控制。构建表面络合模型（SCM）不仅可以用来探讨土壤矿物-有机质-细菌复合体对重金属的吸附机理，还可用于预测土壤中重金属的形态，对于风险评估和污染修复具有重要意义。 生物固氮是指自然界中的固氮微生物在某些特定条件下，如厌氧或微好氧、无铵或低铵以及碳源充足等，在细胞内固氮酶的催化作用下将大气中的氮气转化为植物可利用的形态的过程，是一种更加环保高效的氮素获取途径。增强生物固氮增汇功能，提升耕地土壤质量，是国家“藏粮于地，藏粮于技”战略需求，也是“双碳”目标实现重要保障。
我们实验室聚焦于环境界面过程与机制研究，以黄铁矿、针铁矿等矿物与希瓦氏菌体系为对象，探究光照下半导体矿物 - 微生物界面的光催化协同效应、电子传递机制及 Cr（Ⅵ）还原路径，揭示光激发电子通过界面转移增强微生物活性与 Cr（Ⅵ）去除效率的规律；同时解析铁矿物 - 腐殖酸 - 微生物三元界面中电荷调控、腐殖酸电子穿梭及 Fe（Ⅲ）/Fe（Ⅱ）循环等机制对 Cr（Ⅵ）还原的影响，证实界面两步电子转移过程及 Cr（Ⅲ）产物的界面赋存形态；通过 FTIR、SEM-EDS 等多技术联用表征界面官能团作用、形貌变化与价态转化，开发基于界面电荷匹配与电子传递优化的重金属修复技术，为土壤 / 水体污染的界面修复提供科学依据与技术支撑。
