《Soil Biology and Biochemistry》：Bioenergetics of microbial maintenance metabolism in soil
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土壤微生物维持代谢对碳能耦合关系的影响及CR分析框架构建。
Martin-Georg Endress | Sergey Blagodatsky
德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）阿尔平校区气象与气候研究所大气环境研究部（IMK-IFU） – 加米施-帕尔滕基兴，82467
摘要：
无论是活跃的还是休眠的土壤微生物，都会消耗大量的碳和能量资源来维持自身生存，然而在土壤碳循环模型中，微生物的维持代谢过程却未能得到充分体现。热量与二氧化碳释放的比率（CR）已被证明是研究土壤中微生物生长生物能量的有力工具，但其应用于非生长代谢过程的研究尚未系统展开。本文通过动态建模来评估维持过程如何影响微生物碳和能量使用的耦合关系（这一关系通过CR来体现），以及维持代谢如何改变CR与微生物碳利用效率（CUE）之间的关系。研究发现，维持代谢会降低表观上的CUE，而其对CR的影响则取决于土壤有机质（SOM）的能量含量或用于维持反应的生物质化合物的性质。对不同土壤中CR的文献数据汇总显示，其值存在较大差异，这表明土壤微生物利用了多种底物和代谢途径来满足其维持需求。在耕地土壤中，我们发现维持代谢的CR与平均SOM能量含量之间存在密切的线性关系；而在森林土壤中则没有明显的规律。在添加葡萄糖后进行的CR观测显示，在生长减缓阶段CR显著下降，这表明微生物转向了能量较低的底物。我们提出了一个生物能量框架，将维持代谢纳入基于过程的土壤微生物碳利用模型中，我们的数据展示了维持过程如何影响未改良土壤以及添加易分解底物后碳和能量循环的耦合关系。
引言
土壤有机质（SOM）是陆地有机碳（C）的最大储存库，对全球碳循环和气候变化具有重要影响（Jobbágy和Jackson，2000；Jackson等人，2017）。尽管微生物生物量仅占这一巨大碳库的一小部分，但微生物活动在决定SOM的命运方面起着关键作用，并已成为全球变化研究的重点（Liang等人，2017；Tao等人，2023）。土壤微生物决定了产生和稳定新SOM的过程（如生物量、代谢产物和死物质的形成）与导致新鲜植物残余物和现有SOM矿化的过程之间的平衡，从而导致碳以二氧化碳（CO2的形式释放到大气中（Schimel和Schaeffer，2012；Lehmann和Kleber，2015）。
在碳的得失平衡这一微妙背景下，微生物碳利用效率（CUE）成为一个关键概念（Geyer等人，2016；Manzoni等人，2018）。CUE广泛定义为微生物在生长过程中消耗的碳中转化为新生物量的比例。这一效率受环境因素（Manzoni等人，2012；Sinsabaugh等人，2016）、底物的质量和可用性（Sinsabaugh等人，2013；Blagodatskaya等人，2014）以及微生物群落组成（Geyer等人，2016；Maynard等人，2017）的影响。最近的研究将这种以碳为中心的观点整合到了一个生物能量框架中，该框架还考虑了微生物的能量利用效率（EUE，Gunina和Kuzyakov，2022；Wang和Kuzyakov，2023；K?stner等人，2024）。这种方法基于对微生物生长的热力学理解（von Stockar和Liu，1999；Heijnen和Kleerebezem，2010），认识到代谢过程中物质和能量流动之间的基本联系及其热力学限制（Calabrese等人，2021）。虽然这一框架已在高度可控的条件下成功应用（例如在生物技术领域，von Stockar和Marison，1993），但其应用于土壤环境仍处于早期阶段（Herrmann和B?lscher，2015；Barros，2021；K?stner等人，2024）。
通过量热法同时测量土壤释放的热量和二氧化碳是一种简单而强大的方法，用于研究复杂土壤系统中微生物生长过程中碳和能量的耦合关系（Barros等人，2011，2016）。由此衍生出的一个关键指标是热量与二氧化碳释放的比率（CR），即土壤释放的热量与二氧化碳的比率（见框1，图1）。它与微生物代谢的效率和化学计量比密切相关，可用于估算底物改良实验中的CUE和EUE（Hansen等人，2004；Chakrawal等人，2021；Yang等人，2024），或区分有氧和无氧代谢途径（Chakrawal等人，2020；Endress等人，2024a）。此外，结合SOM能量含量的估计，CR可以提供关于SOM质量及其矿化倾向的见解。例如，它可以揭示未改良土壤中SOM的利用模式（取决于深度或管理方式，Barros等人，2020；Lestido-Cardama等人，2024），或者在向土壤中添加易分解碳源后SOM矿化的增加（也称为启动效应，Blagodatskaya和Kuzyakov，2008；Chakrawal等人，2020；Wirsching等人，2024）。因此，它为研究SOM稳定性以及最终驱动土壤碳储量的微生物SOM消耗特征提供了有希望的途径（Gunina和Kuzyakov，2022；K?stner等人，2024）。
为了发展基于过程的CR理解，研究主要集中在由明确底物驱动的简单生长反应，或在底物改良后的指数生长阶段，此时其他过程产生的二氧化碳和热量贡献可以忽略不计（Hansen等人，2004；Chakrawal等人，2021；Endress等人，2024a，2024b）。在这些条件下，可以建立CUE和CR之间的直接理论关系（Chakrawal等人，2020）。然而，即使在微生物活跃生长阶段，维持代谢和非生长代谢也可能占微生物碳利用的很大比例（例如，B?lscher等人，2024），从而导致这种简单理论关系的偏差。此外，在大多数土壤中，大部分时间微生物生长受到底物可用性的限制。在这种情况下，大多数微生物细胞处于非生长状态或处于休眠状态，只有在空间和时间上受限的底物供应脉冲触发下才会活跃（Blagodatsky等人，2000；Kuzyakov和Blagodatskaya，2015）。由于微生物长期不活跃，以及非生长代谢期间显著的碳和能量流动，维持代谢和进入/退出休眠状态的能量成本可能会对土壤碳动态产生重大影响（Joergensen和Wichern，2018；Dijkstra等人，2022；B?lscher等人，2024）。然而，文献中对微生物维持过程的定义并不明确。这些过程包括生理维持（如细胞运动性、渗透调节和大分子的内部周转）、储存化合物的形成和消耗，以及胞外聚合物物质（EPS）和胞外酶的分泌（van Bodegom，2007；Kempes等人，2017；见框1中的定义）。定义微生物维持和活动的模糊性也反映在机制模型中（van Bodegom，2007；Wang和Post，2012），这导致了地球系统模型中微生物碳周转的不确定性（Wieder等人，2013，2015；Wang等人，2015）。虽然将生物能量原理纳入其中为缓解这些限制提供了有希望的方法，但在CR框架内系统评估非生长过程仍缺乏。
在这项研究中，我们采用基于过程的方法来分析土壤培养实验中同时测量的热量和二氧化碳释放数据。我们的分析特别关注CR框架中未详细描述的生长之外的微生物过程，如外源性和内源性维持（见框1）。在我们的建模研究中，我们使用“维持”一词来概括所有不导致新微生物生物量净形成的微生物碳和能量流动。我们探讨了这些过程对CUE和CR之间理论关系的定量影响。最后，我们汇总并解释了未改良土壤的CR值和SOM能量含量，以及微生物在葡萄糖上生长后的减缓阶段的动态CR测量结果，从而提供了关于微生物非生长代谢和SOM矿化能量的实验见解。
部分摘录
生长和非生长反应及其能量学
微生物生长反应（方程1）及其能量学（方程（2），（3）已在之前详细阐述（Chakrawal等人，2020；Endress等人，2024a）。简而言之，我们考虑了一个由外部底物驱动的有氧分解反应，该反应表示为消耗一摩尔碳，分解反应焓等于底物的燃烧焓，分解过程中氧气的化学计量系数为...（具体数值未提供）。如果...未知，可以对其进行估算。
底物添加后二氧化碳和热量释放的联合动态揭示了超出微生物生长过程的其他贡献
通过绘制培养实验过程中土壤样本产生的累积热量与二氧化碳排放量的关系图，可以简单地了解系统的净碳和能量平衡（图2a）。在这样的图中，观察结果从起点开始，随着热量和二氧化碳的持续释放而向上并向右移动。
讨论
我们的结果突显了通过量热法联合分析土壤中碳和能量流动的优势和局限性。累积热量和二氧化碳排放量的轨迹提供了培养过程中净碳和能量平衡的简洁概述（图2a），而敏感的CRrate可以揭示微生物代谢和底物利用随时间的变化（图2b，Endress等人，2024a；Wirsching等人，2024）。当这些累积和基于速率的评估结合在一起时...
结论
我们的理论结果强调了通过CR联合分析土壤系统中的碳和能量流动可以用来识别相关的微生物过程并提出可验证的假设。特别是，我们表明维持代谢显著改变了CR与微生物CUE之间的关系，这意味着在非理想指数生长条件下，无法仅通过CR测量推断出CUE。
相反，我们建议这样的测量可以...
CRediT作者贡献声明
Martin-Georg Alexander Endress：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，形式分析，概念化。Sergey Blagodatsky：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化
未引用的参考文献
Endress等人，2024c.
数据可用性声明
本研究分析的所有数据均作为补充材料提供。用于建模和生成图表的所有代码可在10.6084/m9.figshare.30000955获取。
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Martin-Georg Endress报告称获得了德国研究基金会的财务支持。Sergey Blagodatsky报告称获得了德国研究基金会的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响所报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究是在德国科学基金会（DFG）优先项目“SPP 2223 – 土壤系统生态学 – 微生物组和边界条件调节的能量释放（SoilSystems）”的框架下进行的。该工作得到了DFG的资助，资助编号为465124939和554807460。图1使用BioRender制作。
