新研究有助于阐明土壤微生物在全球碳循环中的作用

当土壤微生物吃植物物质时，食物的消化会通过两种途径之一进行。微生物要么利用食物构建自己的身体，要么将其食物以二氧化碳 (CO 2 ) 的形式呼吸到大气中。

现在，西北大学领导的研究小组首次追踪了植物废物混合物通过细菌代谢向大气中排放二氧化碳的途径。研究人员发现，微生物从木质素碳(非糖芳香单元)中呼吸的二氧化碳是纤维素碳(葡萄糖糖单元)的三倍，而木质素碳和纤维素碳都为植物的细胞壁增加了结构和支撑。

这些发现有助于阐明微生物在土壤碳循环中的作用——这些信息有助于更好地预测土壤中的碳如何影响气候变化。

这项研究“细菌代谢途径中不同有机底物的二氧化碳流出不成比例导致对碳利用效率的贡献不同”于 6 月 11 日发表在《环境科学与技术》杂志上。

领导这项研究的西北大学的 Ludmilla Aristilde 说：“土壤中储存的碳量大约是大气中的 10 倍。”

“这个碳库的命运将对地球产生巨大影响。由于微生物可以释放这些碳并将其转化为大气中的二氧化碳，因此人们对了解它们如何代谢植物废物有着浓厚的兴趣。随着气温升高，土壤中将出现更多不同类型的有机物。这将影响微生物活动排放的二氧化碳量。”

Aristilde 是环境过程中有机物动力学方面的专家，他是西北大学麦考密克工程学院土木与环境工程副教授，也是合成生物学中心和 Paula M. Trienens 可持续发展与能源研究所的成员。Aristilde 实验室前博士生 Caroll Mendonca 是这篇论文的第一作者。这项研究的合作者包括来自芝加哥大学的研究人员。

“并非所有途径都是平等的”

这项新研究以 Aristilde 实验室正在进行的研究为基础，旨在了解土壤如何储存或释放碳。尽管之前的研究人员通常追踪植物物质中分解的化合物如何单独通过细菌移动，但 Aristilde 的团队却使用这些化合物的混合物来表示细菌在自然环境中接触到的东西。

然后，为了追踪不同的植物衍生物如何通过细菌的代谢，研究人员用同位素标签标记了单个碳原子。

“同位素标记使我们能够追踪细胞内每种化合物类型的特定碳原子，”Aristilde 说。“通过追踪碳路径，我们能够捕捉到它们在代谢中的路径。这很重要，因为并非所有途径在产生二氧化碳方面都是平等的。”

例如，纤维素中的糖碳通过糖酵解和戊糖磷酸途径。这些途径引发代谢反应，将消化的物质转化为碳，形成 DNA 和蛋白质，从而形成微生物自身的生物质。但来自木质素的芳香族非糖碳则通过不同的途径——通过三羧酸循环。

“三羧酸循环存在于所有生命形式中，”Aristilde 说。“它存在于植物、微生物、动物和人类中。虽然这个循环也产生蛋白质的前体，但它包含几个产生二氧化碳的反应。新陈代谢产生的二氧化碳大部分来自这个途径。”

扩大调查结果

在追踪新陈代谢途径后，Aristilde 及其团队进行了定量分析，以确定不同类型植物物质产生的二氧化碳量。食用混合植物物质后，微生物从木质素衍生的碳中呼吸的二氧化碳量是纤维素衍生的碳的三倍。

“尽管微生物同时消耗这些碳，但每种碳产生的二氧化碳量是不成比例的，”Aristilde 说。“这是因为碳是通过两种不同的代谢途径处理的。”

在最初的实验中，Aristilde 和她的团队使用了假单胞菌，这是一种具有多种代谢功能的常见土壤细菌。研究人员很好奇他们的发现是否适用于其他细菌，因此研究了科学文献中以前的实验数据。他们发现，植物物质、代谢和二氧化碳之间的关系与其他土壤细菌中表现出来的关系相同。

“我们提出了一种新的代谢导向视角，用于思考土壤微生物可获得的不同碳结构是如何被处理的，”Aristilde 说。“这将是帮助我们预测气候变化下土壤碳循环将发生什么的关键。”

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