当土壤微生物吃植物物质时，消化的食物遵循两种途径之一。微生物要么利用食物来构建自己的身体，要么将食物以二氧化碳的形式呼吸到大气中。
现在，由西北大学领导的一个研究小组首次追踪到了植物废物混合物在细菌代谢过程中产生大气二氧化碳的途径。研究人员发现，与纤维素碳(葡萄糖糖单位)相比，微生物从木质素碳(非糖芳香单位)呼吸的二氧化碳是纤维素碳(葡萄糖糖单位)的三倍，后者都增加了植物细胞壁的结构和支撑。
这些发现有助于理清微生物在土壤碳循环中的作用——这些信息有助于改进对土壤碳如何影响气候变化的预测。
这项名为“细菌代谢途径中不同有机基质的不成比例的二氧化碳外排导致对碳利用效率的不同贡献”的研究发表在6月11日的《环境科学与技术》杂志上。
“储存在土壤中的碳库大约是大气中碳库的10倍，”西北大学的Ludmilla Aristilde说，她是这项研究的负责人。
“这个水库发生的事情将对地球产生巨大影响。因为微生物可以释放这种碳并将其转化为大气中的二氧化碳，所以了解它们如何代谢植物废物是一个巨大的兴趣。随着温度的升高，土壤中会有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。”
作为环境过程中有机物动力学方面的专家，Aristilde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。曾在阿里斯蒂德实验室攻读博士学位的卡罗尔·门多卡(carol Mendonca)是这篇论文的第一作者。这项研究包括来自芝加哥大学的合作者。
这项新研究建立在阿里斯蒂德实验室正在进行的研究基础上，以了解土壤是如何储存或释放碳的。虽然以前的研究人员通常追踪植物物质中分解的化合物如何在细菌中单独移动，但Aristilde的团队使用这些化合物的混合物来代表细菌在自然环境中暴露的物质。
然后，为了追踪不同的植物衍生物如何通过细菌的新陈代谢，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碳原子，”Aristilde说。“通过追踪碳路径，我们能够捕捉到它们在新陈代谢中的路径。这很重要，因为就产生二氧化碳而言，并非所有途径都是平等的。”
例如，纤维素中的糖碳通过糖酵解和戊糖-磷酸途径传播。这些途径导致代谢反应，将消化的物质转化为碳，从而产生DNA和蛋白质，从而构建微生物自己的生物量。但是来自木质素的芳香的非糖碳走了一条不同的路线——通过三羧酸循环。
“三羧酸循环存在于所有形式的生命中，”阿里斯蒂德说。“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。新陈代谢过程中呼吸的大部分二氧化碳都来自这一途径。”
在追踪了代谢路线之后，Aristilde和她的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。在消耗了植物物质的混合物后，微生物从木质素中提取的碳中呼吸出的二氧化碳是从纤维素中提取的碳的三倍。
“尽管微生物同时消耗这些碳，但每种碳类型产生的二氧化碳量是不成比例的，”阿里斯蒂尔德说。“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，阿里斯蒂尔德和她的团队使用了恶臭假单胞菌，这是一种具有多种代谢功能的常见土壤细菌。为了了解他们的发现是否适用于其他细菌，研究人员研究了科学文献中先前实验的数据。他们在其他土壤细菌中发现了植物物质、新陈代谢和二氧化碳之间同样的关系。
Aristilde说:“我们提出了一种新的以代谢为导向的视角来思考土壤微生物如何处理不同的碳结构。”“这将是帮助我们预测气候变化下土壤碳循环会发生什么的关键。”
