研究土壤微生物以更好地了解碳循环中的关键步骤

x射线和中子计算机断层扫描图像。使用机器学习识别绿色圆盘(叶子，也由红色箭头表示)，并通过距离叶子和时间计算水分代理(中子图像中的亮度)。下面的图表显示了水分含量的代理距离叶片(x轴)和时间(颜色)。图片来源:Alyssa Kim

地球的碳循环在全球范围内起作用。但它会受到最微小的生物的影响:土壤微生物。这些微生物分解有机物，如植物凋落物和死亡的生物，并产生简单的碳化合物。这些简单的碳化合物可以被其他生物利用，或者转化为气体(如二氧化碳)并释放到大气中。

就像我们一样，土壤微生物对它们生活和工作的地方也很挑剔。康奈尔大学的研究员Alyssa Kim说:“就像我们可能更喜欢一定范围的温度和湿度一样，土壤微生物也有他们更喜欢的条件。”

Kim是一项新研究的主要作者，该研究探索了土壤条件，如湿度水平和孔隙大小，如何影响土壤微生物。了解不同的土壤条件如何影响微生物活动，可以让研究人员更好地掌握提高土壤健康和肥力的方法，并帮助应对气候变化。例如，“它可以成为减少收获后农田温室气体排放的关键部分，”Kim说。

金最近在马里兰州巴尔的摩举行的2022年ASA-CSSA-SSSA年会上介绍了她的工作。

密歇根州立大学的Kim和她的同事比较了玉米和柳枝稷落叶附近的微生物活性。玉米是一种重要的作物，美国农民在2022年种植了近9000万英亩的玉米。柳枝稷是一种很有前途的生物能源作物，它的足迹正在不断扩大。“此外，玉米和柳枝稷有不同的凋落物特征，”金说。“垃圾化学成分影响微生物分解不同垃圾的难易程度。纹理等物理特征会影响凋落物附近的水和空气环境。”

金和她的同事们发现，玉米和柳枝稷凋落物在改变附近土壤湿度水平方面存在差异。Kim说:“我们在柳枝稷残留物0.1到1.5毫米处发现了明显的水分损耗。”

土壤样品的例子与叶残。左边的红色虚线框是感兴趣的区域(提取酶谱的地方)，右边是计算结果。彩色图显示酶活性的强度。图片来源:Alyssa Kim

为了研究这种水分分布，Kim使用了一种叫做x射线和中子计算机断层扫描的方法。这种方法与医学CT扫描非常相似。“这是一种非常有前途的、非破坏性的研究土壤和水的方法，”Kim说。

结果表明，水分含量是影响土壤微生物活性的最重要因素之一。这是因为微生物分解落叶等有机物质的一种方式是释放一种叫做酶的化学物质。不同的酶分解不同的物质。例如，一种叫做-葡萄糖苷酶的酶可以破坏植物细胞壁。另一种叫做几丁质酶的酶可以分解昆虫和一些真菌的外骨骼。一旦酶将目标物质分解成更简单的化学物质，土壤微生物就可以大快朵颐了。

“当土壤湿度水平对微生物最有利时，它们往往会产生更多的酶，”Kim说。这会导致落叶分解更快，释放出大量的二氧化碳。这正是金和她的同事观察到的。玉米凋落物附近的土壤水分水平较高，玉米凋落物分解比柳枝草凋落物更快地释放更多的二氧化碳。

虽然这项研究主要集中在毫米尺度的观测，但它具有大规模的影响。Kim说:“研究这些微观尺度的动态可以帮助我们了解在我们广阔的玉米田中实际发生的事情，以及在柳枝稷等有前途的生物能源种植系统中发生的事情。”

金教授还测试了土壤孔隙大小对微生物酶活性的影响。这些孔隙的大小从10微米到30微米不等，比大多数人类头发的厚度还要小一点。“研究土壤孔隙结构至关重要，因为这是土壤微生物生活的地方，”Kim说。

金使用了一种叫做酶谱学的方法来绘制不同酶的活性。“我们在土壤表面添加一些化学物质。这些化学物质在分解时显示荧光，这就是我们检测酶位置的方法。”

土壤孔隙大小对不同酶的影响不同。葡萄糖苷酶——一种分解植物细胞壁的酶——在孔隙较小的土壤中更有效。而几丁质酶在孔隙越大的土壤中活性越高。“这些对比的结果告诉我们，土壤中分解的物质取决于土壤孔隙结构，”Kim说。“这是因为有不同的微生物生活在不同大小的孔隙中，产生不同的酶。”

农田的土壤有大大小小的孔隙，这表明土壤的水分水平和不同的微生物是混合的。Kim说:“在未来，我想在更大的范围内观察土壤孔隙和水分水平，并测试水分分布的差异如何影响分解过程。”