基质利用效率的差异：微生物的影响群落组成、土地利用管理与基质复杂性外文翻译资料

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基质利用效率的差异：微生物的影响群落组成、土地利用管理与基质复杂性

摘要：微生物基质利用效率在基于过程的土壤有机质模型中是重要的底物性质，但在机制模型中通常被假定为常数。然而，以前的研究质疑恒定的效率是否适当，尤其是在不同温度和底物条件下讨论碳循环时。在现在的研究中，我们对比了长期管理制度（47--49年的耕地、农田、绿地或森林系统）的基质利用效率、微生物群落组成和基质复杂度之间的关系。PLFA分析测定微生物群落组成，并且考虑了底物使用效率的三个指标：（i）热力学效率，（ii）热计量比，和（iii）代谢商。D-葡萄糖，L-丙氨酸，或糖原，这三种不同复杂性的基质，分别添加到土壤中，并在12.5°C的32-h培育期测定产热和C矿化。森林系统中的微生物群落最有效的利用底物，这支持我们的假设，即成熟的生态系统变得更有效。这些效率的变化与微生物群落组成有关，真菌和革兰氏阴性菌是重要的生物标志物。尽管我们最初的假设，最有效的利用了诸如糖原这样的复杂底物。我们的研究结果强调，在土地利用管理系统的差异，以及土壤有机质的组成，在土壤中模拟C动态需要考虑在内。需要进一步的研究，建立和评估在不同生态系统中适当的代理基质使用效率。

关键词：微生物碳利用率、微生物群落、土地利用、基质复杂性、等温量热法

前言

土壤微生物是陆地碳循环的关键参与者。但是由于土壤的复杂性，它们常常没有被具体地应用到用于预测土壤有机质分解的简化的基于过程的模型中。例如，世纪模型、RothC模型或Q模型将微生物室系统视为黑箱。在微生物分解过程中，有机碳被划分为呼吸能量生产和底物同化到微生物生物量，并在土壤有机质中稳定。这种划分通常被称为底物利用效率或C利用效率，它是确定土壤有机质分解过程中C的命运的重要微生物生理特征。在基于过程的模型中，该性质常被假定为常数，但研究表明底物使用效率是（i）温度依赖性，并在（ii）不同C基质中变化。最近的模型框架强调，微生物生理学的变化，即，不同的底物利用效率（i）对全球土壤C存量有显著的影响，并且（ii）它们的掺入可以改善未来气候变化模型预测。底物使用效率的基本过程机制尚不清楚，但已报道的效率差异反映了微生物群落组成。

最近的研究表明，底物利用效率的差异可能与可耕地生态系统或森林生态系统中真菌和革兰氏阴性菌的相对丰度有关。这些研究强调，微生物群落组成可能在确定一个土地利用管理系统中的底物利用效率方面起着重要的作用。然而，很少有人知道，如果和如何使用不同的土地利用管理系统的基质使用效率。理论框架表明，沿着演替梯度的成熟生态系统在其食物网和生物多样性方面变得更加复杂，并且它们提高了利用资源的效率。耕地通过耕作和/或其他耕作方式每年受到干扰，而草地生态系统受干扰较少，森林生态系统是演替梯度的终点。因此，这些土地使用管理系统可以被认为是代表演替梯度梯度中的某些阶段的系统。微生物群落组成沿着这一梯度变化。与耕地和草地生态系统相比，森林生态系统包含的真菌比细菌更多，并且通常认为土壤真菌比土壤细菌具有更高的底物利用效率。因此，我们期望居住在森林中的微生物群落与居住在耕地系统中的群落相比具有更高的底物利用效率。

除了基质使用效率的差异之外，土壤真菌（例如，木材分解真菌）具有通过产生胞外酶分解复杂土壤有机质的能力。热力学参数表明，代谢结构复杂、芳香成分的反应比反应代谢结构简单、更不稳定的成分具有更高的活化能。因此，复杂基质的利用率需要较高的初始能量成本，从而降低净能量增益。此外，分解过程中的代谢途径取决于所使用的底物的性质，并显示不同的呼吸速率导致可变的底物使用效率。简单的碳水化合物，如葡萄糖，主要用于评价微生物底物的使用效率。然而，土壤有机质由非均质有机物质组成，其固有的化学能储存在土壤系统内交换的地下。最近的研究表明，使用不同的基质导致不同的效率，强调在评估微生物基质使用效率时评估几个基质的重要性。

底物诱导呼吸结合碳微生物生物量的掺入经常用于评价底物利用效率。最近，微生物能量学的方法，如微生物群落的热力学效率和钙质比率已被测试，以探索微生物基质在土壤系统中的使用效率。等温量热法被用来确定这些指数，其主要优点是，它量化所有的代谢过程，不仅那些占CO2呼吸的测量。因此，它为CO2呼吸途径提供了补充信息。热力学效率是底物利用效率的一个无量纲指标，该指标的高值表明微生物代谢是有效的。热呼吸比率是与CO2生产相关的代谢热释放（J mol^-1CO₂或者mJ mu;g CO₂-C）。如果相同的有机材料正在经历分解，钙电阻比率的变化表明底物使用效率的差异随着比率的减小而指示效率的提高。这两个指标独立于土壤中的微生物生物量。之前，安德森和多姆施使用微生物代谢商，（即呼吸与微生物生物量的比，micro;g CO₂-C micro;g^-1 biomass C）作为微生物群落底物利用效率的指标。这个商曾被批评过，因此应该谨慎使用。然而，当使用代谢商评估底物使用效率时，微生物生物量是一个重要的土壤性质。到目前为止，这三个指标还没有被用于同一研究，也不知道他们是否会得出类似的结论。本研究的目的是测试假设（i）底物利用效率随着成熟生态系统沿演替梯度的增加而增加，（ii）效率的提高是由于微生物群落组成的变化，以及（iii）与复杂的有机物质相比，化学复合底物导致效率降低。此外，我们使用线性回归分析评估各种底物利用效率指数。

材料和方法

土壤

在2012年8月，我们在Ro.B.CouksAlLee（63°48rsquo;N，20°14rsquo;E）的农业长期田间试验和Flakaliden（64°07rsquo;N，19°27rsquo;E）的森林长期营养施肥试验中取样土壤。这两个研究地点都紧挨着瑞典北部的宇目市，并受到北方气候的影响。该地区年平均气温为2.3°C，从二月的零下8.7°C到七月的14.4°C。1965年在饱和始成土（粮农组织）上建立了Ro.B.CouksAlLee的田间试验，我们选择了三个土地利用管理系统：（i）大麦（耕地），（ii）大麦1年，其次是2年期休耕（草田轮作）和（iii）大麦1年以及5年的休耕期（草地）。在土壤取样时，草田轮作和草地管理系统分别处于绿休耕的第二和第五年。样品取自A层的0～10厘米深。FLAKALIDIN长期田间试验是在1963年粮农组织的灰色单壤上种植的挪威云杉的林分1986上建立的。我们采样的控制对照从深度为2 - 10厘米代表E层。对照处理没有养分添加，但土壤灌溉水，以避免偏倚由于水分胁迫。对于每一个土地利用管理系统，我们从三个场重复取样土壤，每个重复25到30个附属样本，这些混合物被彻底混合并结合到每个重复的一个样本。将土壤筛入2 mm，去除植物材料，然后将土壤调节至其持水量的50%。样品冷冻保存直至进一步使用。附加的土壤数据在表1中给出。

培养实验

土壤在12.5°C预培养14天，使微生物呼吸逐渐消失，这是由于取样和冷藏过程从新鲜有机物中释放出来的。该温度对应于在植被期（5月至九月）的长期田间试验点的平均气温。在预培养期后，将土壤分为三组子样品，以确定产热、C矿化和土壤微生物生物量的评价。

第一组被用于量热测量。对于每个土壤管理系统，将四个等量的土壤（5克土壤干重）放置在20毫升玻璃反应容器中，每个容器用由两个1毫升注射器组成的混合安瓿密封（图1）。每个混合安瓿含有D-葡萄糖、L-丙氨酸、糖原或双去离子水的溶液作为对照。选择这些底物是因为它们都是水溶性的。D-葡萄糖和L-丙氨酸被选择为简单底物的代表，L-丙氨酸是另外的氮源，而糖原被选择为复杂底物的代表。在实验开始之前，我们测试了可溶性淀粉，但是该底物在溶解后不久沉淀，因此不适用于实验。因此，糖原被用作复合底物，因为它是水溶性的，与淀粉具有相似的结构，并被土壤微生物用作储藏化合物。然后将样品引入TAM空气等温量热仪（TA仪器，美国），将恒温器设置为12.5°C。然后将热量计密封，使样品平衡18至19小时。在平衡后，时间0小时，滴加底物溶液（75微克/升土），提供500微克C/克土。所有基质溶液的加入使样品的含水量增加到其保水能力的65%。在基质添加后32小时连续测量热产生率。用乙醇彻底清洗注射器，每次使用后用去离子水反复冲洗。在培养结束时，将样品冷冻干燥，以便随后测定土壤溶液中的残留底物，如下所述。土壤溶液中的初始底物在培养开始时即在时间0小时，在SEPA速率等量的土壤中被挖掘，用C基质进行修正，并立即冷冻干燥。

第二组四等分（20克土壤干重）修正了500mu;g C/g土的D-葡萄糖、L-丙氨酸或糖原溶液或双去离子水作对照。将样品置于0.5 L密闭玻璃容器中，在12.5℃下孵育32小时，用红外气体分析仪连续分析每5～9小时生成的CO2。

第三组用于评价14天预培养结束后土壤微生物群落的生物量和组成。采用氯仿熏蒸提取法，对微生物量进行了少量修正。提取的有机碳作为总有机碳，用熏蒸法将提取的C转化为微生物生物量C，采用0.45的k_ec因子。采用FLASTG等方法，对PLFA进行分析，评价微生物群落组成。简单地，用氯仿、甲醇和柠檬酸盐缓冲液以1:1:0.8（v/v/v）的比例从1 g冻干土壤中提取磷脂，用固相萃取分馏，然后用弱碱性甲醇解进行衍生。气相色谱法分析所得脂肪酸甲酯。

表1土壤基本特征。值显示手段（n＝3）；普通字母表示同质手段使用单因素方差分析和图基的HSD检验（5%显著水平）

真菌-细菌比（F:B比）是基于真菌PLFA生物标记物18:2omega;6和18:omega;9的丰度和11种细菌PLFA生物标志物的总和。

土壤溶液底物

当估算土壤微生物群落的热力学效率时，必须考虑所使用的底物（见等式1）。然而，土壤中的D-葡萄糖、L-丙氨酸和糖原的定量测定在土壤研究中是不易得到的。因此，我们测试在动物科学中建立的商业化验试剂盒和检测方法是否适用于土壤样品。除非指出，每个土地利用管理的一个字段重复（5克干燥土壤）的土壤用375mu;l的（I）D-葡萄糖、（II）L-丙氨酸或（III）糖原溶液（底物浓度见补充表S1）进行了修正。对于标准曲线以及在土壤溶液中测定底物回收率（见下文），底物溶解在0.25 M K2SO4或0.1 M HCl中以确保相同的背景基质。因为有必要存储经过修改的土壤样品进行大量的时间前的分析，我们还测试了如果冷冻干燥之前的土壤提取将对土壤溶液中测量的基质的量产生影响，即对新鲜土壤与冷冻干燥土壤之前的底物提取进行了比较。三个技术重复使用于每一个对照。

对于D-葡萄糖定量，我们使用了商业可用的酶检测试剂盒。用0.25 M K2SO4（土壤：萃取剂质量比为1:4）摇30分钟，离心（3times;740times;g），用0.2mu;m尼龙注射器过滤，过滤0.5毫升滤液，然后用1毫升酶法测定混合液中的D-葡萄糖，和混合物置于37℃的暗水浴中。为了停止酶促反应，在30分钟后加入1毫升6 M H2SO4溶液，在540 nm处测定吸光度，建立了冻干样品（Y轴）吸光度（X轴）与葡萄糖浓度的校正曲线，并将培养液中土壤溶液中葡萄糖浓度的吸收数据拟合为线性模型（R2＝0.98）：y = 156.5x minus; 9.2。

采用动物血浆法对L-丙氨酸进行定量，用0.1 M HCl（土壤：萃取剂质量比为1:4）振荡30分钟，离心（3分钟，转速740xg），提取土壤样品中L-丙氨酸。将八百微升的上清液与30%（W/V）5-磺基水杨酸混合，在14, 000xg离心30分钟。将二百微升的混合物转移到30 kDa的离心过滤管中，在14000xg离心10分钟。将该滤液稀释至250 pmol/mu;l的浓度，并用超高效液相色谱法进行衍生化分析。在稀释体系中使用氨基酸去甲缬氨酸以建立校准曲线（R2＝1）。

从D-葡萄糖和L-丙氨酸分析结果表明，冷冻干燥之前的底物提取不影响底物浓度（数据未示出），因

图1 TAM空气20毫升混合安瓿建立系统的示意图 此只有冻干样品在糖原

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