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死亡微生物的粘附性:土壤中微生物残体快速的非生物固定机制

日期: 2022-08-17
标签:




文献解读

BAIHUI

原名:Sticky dead microbes: Rapid abiotic retention of microbial necromass in soil


译名:死亡微生物的粘附性:土壤中微生物残体快速的非生物固定机制

期刊:Soil Biology and Biochemistry


IF:8.5(2021


发表时间:2020年8月14日


第一作者:   Kate M.Buckeridge


通讯作者:Kate M.Buckeridge


主要单位:

Lancaster Environment Centre, University of Lancaster, Lancaster, UK

UK Centre for Ecology & Hydrology, Lancaster, UK


死亡微生物的粘附性:土壤中微生物残体快速的非生物固定机制


01
摘要

微生物残体主导土壤有机质。最近关于残体和土壤碳储存的研究主要集中在残体的产生和稳定机制,而不是残体的固定机制。我们使用稳定同位素标记微生物残体进行土壤培养试验。结果表明,对于短期的残体固定,非生物吸附固定可能比生物固定更重要。我们证明了残体吸附固定不仅发生在矿物表面,还可能与其他残体相互作用。此外,残体化学性质能改变残体之间的相互作用,当存在酵母残体时,细菌示踪残体会保留更多。这些发现表明,除了化学稳定性之外,微生物残体的吸附和非生物相互作用及其功能特性需要在土壤固碳的背景下进一步研究。

关键词:

土壤有机质,功能特性,稳定同位素,草地牧场,碳固持,氮

02
背景

土壤有机质(SOM)是土壤健康和可持续农业的关键指标。对SOM稳定性的研究传统上侧重于植物对土壤输入的质量和数量,然而,最近的研究表明,SOM主要由死亡的微生物产物和残体主导。残体在土壤中的持留时间可能受到残体吸收固定到微生物生物量影响,但残体固定最终依赖于其吸附到土壤矿物表面形成的微团聚体。实际上,生物固定作用(微生物固定化)和非生物固定(吸附和分子相互作用)可能同时发生,但尚未有研究评估这些短期过程的相对重要性(图1)。

矿物表面可观察到微生物残体,这支持以下观点:稳定SOM的积累主要由有机-矿物吸附控制,并受矿物表面积限制。然而,实验检测到的残体并不是均匀的覆盖在矿物表面,而是以块状形态存在,这表明SOM的稳定性也可能包含有机物间的相互作用,或残体通过离子相互作用、氢键、范德华力、(部分)包埋作用和其他残体及有机质粘连(图1)。了解这两个非生物吸附过程的相对重要性对于预测SOM持留时间的上限至关重要。

微生物残体的化学性质被认为是SOM储存的不重要调节因素,因为相比不同的植物输入,其化学成分更为相似。以往关于残体化学性质和持久性的研究集中于其稳定性,并强调几丁质的固定。然而,细胞化学性质可以改变细胞间粘附率和有机-矿物吸附率,尤其是对于富含N的残体。革兰氏阳性细菌包膜在脂膜外有一层厚的交联肽聚糖层,而革兰氏阴性细胞包膜在内外脂膜间包含有一层较薄的肽聚糖层。真菌细胞壁成分高度复杂;例如,酵母细胞壁脂膜外由多层甘露聚糖、β-葡聚糖和几丁质组成。因此,相对于革兰氏阴性细菌或真菌,富含肽聚糖的革兰氏阳性细菌等具有高N含量的细胞膜官能团可能有利于有机-有机相互作用。鉴于全球变化、土地利用变化甚至季节性可能导致的微生物群落组成潜在的广泛变化,残体化学性质可能会影响生态系统规模上的SOM稳定性。

我们研究了草地土壤中生物和非生物残体固定的重要性,以及在短期实验室培养中残体化学性质对这种固定的影响。我们提出如下假设:H1、生物和非生物残体固定均可发生,但生物固定更为重要;H2、残体的背景浓度越高;土壤中固定的残体越多(表明产生有机-有机粘附);和H3、革兰氏阳性细菌膜的非生物固定更高(这意味着细胞化学性质很重要)。

03
结果

活性土壤中示踪残体的C固定率比灭菌土低(P=0.006),因此拒绝假设H1,表明残体C的短期固定主要由非生物过程控制(>70%)(图2a)。然而,我们的结果不能证实生物过程对持续的SOM-C累积不重要。我们控制的环境培养条件可能高估了非生物过程的重要性:在一个具有活跃的植物-微生物相互作用的动态自然系统中,活微生物固定残体C,植物和微生物吸收/固定残体N可能对残体固定至关重要。此外,我们实验室培养的单一培养物仅能接近化学和分类学上复杂的天然残体。尽管如此,我们的结果说明了土壤中非生物碳固定的重要短期效应。

活性土壤中的13C固定率比灭菌土壤中的固定率更低,我们认为这可能是灭菌处理的副作用,或者是微生物活动造成的CO2损失。但我们认为灭菌处理影响很小,因为我们没有发现活性土中残体15N的固定率与灭菌土相比也降低(图2b)。灭菌土壤中示踪残体的C:N比没有变化以及活性土壤中示踪残体C:N的下降(P<0.001,数据未展示)的结果等同于活性微生物C周转过程:添加总C的4–10%的固定/损失(可提取的生物量或CO2损失)(图3a和b)。标记残体N2O的损失与CO2相当(<2%,图3c),但我们推测微生物生物量的氮吸收(未测量)比C吸收更低,反映出在这些富氮农牧土壤中,生长对氮的需求较低。培养期间的C-饥饿作用可能导致微生物利用残体C维持生命活动,这反映了底物利用效率(CUE)较低(图3d)。

与对照组相比,有更高残体浓度背景的灭菌和活性土壤中固定了更高的C和N(约高出10–40%,图2a和b),这支持假设H2:残体之间可能相互粘连。此前,基于实验室和长期野外研究中的同位素和观测证据,已有研究提出有机-有机粘附机制。在具有更高肽聚糖(M. luteus)残体的土壤中,我们没有观察到C和N的固定率更高,因此拒绝假设H3(即革兰氏阳性细菌膜的非生物固定率更高)。然而,我们提供了新的证据表明,在灭菌和活性土壤中,增加酵母残体时,标记残体中C和N的固定率更高(C, P<0.001;N, P=0.03)。在添加酵母残体的土壤中,这种较高的微生物C和N的固定似乎不是通过生物固定过程,因为活性土壤中示踪残体的CUE在不同残体类型之间没有差异(图3d)(尽管所有添加残体的处理都低于无添加的对照,这可能是比对照更高底物浓度的响应)。相反,存在酿酒酵母残体的情况下,示踪残体固定率的增加可能表明革兰氏阴性细胞外膜和复杂酵母细胞壁形态之间更快或更强的相互作用,例如和在活的微生物群落中发生的相互作用一样。我们需要进一步开展化合物特异性研究,以期了解其他一般真菌残体或特异的细菌细胞膜和真菌细胞壁化合物是否具备酵母残体的特性。本文结果表明,细胞化学性质有助于粘附机制,促进土壤中残体稳定性。

死亡微生物的粘附性:土壤中微生物残体快速的非生物固定机制

图1. 矿质土壤中微生物残体形成及固定示意图。图中,残体作为微生物的底物,类似于植物输入(凋落物或分泌物)。微生物可以获得与矿物结合或不结合的残体。固定作用包括微生物将残体再循环为新的生物量,最终形成残体,并可能以CO2的形式产生一些损失。稳定作用被认为是通过吸附到矿物表面(“有机-矿物”)来实现,尤其是在粘粉粒表面上。在本研究中,我们假设该过程不局限于发生在矿物表面(“有机-矿物”),也发生在残体间的相互作用(“有机-有机”)上。这些过程促进残体固定,并且该“有机-有机”结合过程可能受到残体化学性质的影响。

死亡微生物的粘附性:土壤中微生物残体快速的非生物固定机制

图2. 具有不同背景残体的活性和灭菌土壤中残体碳氮的固定(13C15N-E.coli)。在活性土壤(微生物固定和吸附)和无菌土壤(仅吸附)中培养3天后,以(a)碳或(b)氮形式固定的13C15N残体。为期3天的培养结束后,分析水提取后残留土壤中标记残体剩余量的百分数作为残体固定率。

死亡微生物的粘附性:土壤中微生物残体快速的非生物固定机制

图3. 具有不同背景残体的活性土壤中残体示踪剂(13C15N-E.coli)的气体损失、生物固定和碳利用效率。在3天培养后,(a)标记残体矿化的CO2,(b)标记残体再利用产生的微生物量C,(c)标记残体矿化的N2O,(d)碳利用效率。

04
结论

我们的结论是,非生物过程对于土壤中残体C和N的短期固定非常重要,需要在研究SOM稳定性的研究中给予更大的重视。我们的结果表明,有机-有机相互作用促进了碳和氮的固定,并提供了新的证据,证明这种机制受细胞化学性质调节。如果这种短期非生物固定发生在原位土壤并持续存在,那么微生物群落结构以及真菌与细菌的比例可能会通过群落细胞化学性质的变化影响碳和氮的稳定性。在田间添加来自不同分类群、不同土壤的同位素标记残体,将有助于研究这些机制的长期重要性。这些发现表明,微生物残体的非生物吸附和残体间相互作用及其化学稳定性以外的功能特性(即细胞分子的特性、聚集和形态)值得进一步在土壤固碳背景下展开研究。


原文链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071720302261

DOIhttps://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107929




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