土壤酶化学计量研究进展
日期:2020-10-09 18:31:01
土壤是一个具有明显“生命”特征的类生命体,而不是惰性物质的简单堆砌。大量的微生物、植物和动物可以生产、分解和/或转化土壤中数不尽的有机物和无机物。这些反应,大多数都需要土壤酶的催化,如果没有土壤酶,土壤将丧失其功能,地球上所有的生命最终都将受到影响。


土壤酶活测定,是基于土壤加入底物培养过程中,反应产物产生或反应底物消耗的量进行评价的。土壤酶活测量过程中,产物或底物的提取效率、测试土样为风干土还是鲜土、缓冲液的pH值、基质浓度、土样重量、反应时间、温度、反应过程中有没有摇动、反应的化学计量、选择一个合适的分析流程、反应体系创建前样品的保存或前处理、反应过程是否需要辅助因子等必须考虑并加以适当控制。所有这些因素都需要针对不同的土壤进行仔细的评估和优化,以提供最有效的测定土壤酶活,并确保反应速率的唯一限制因子是土壤酶的浓度。

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土壤酶学家通常不直接测量土壤中酶的浓度。土壤酶浓度的测定首先需要从土壤中提取特定的蛋白,然后对蛋白进行定量。这是特别困难的,在很多情况下,也是没有意义的。就生态学而言,最重要的是土壤酶的活性。与之不同,土壤酶学家的目标是测量不同土壤中特定酶促反应的活性。这需要在世界各地的实验室都使用标准的反应体系,以便提供可重复的结果。任何干扰这一目标的行为,都将损害所获得数据的价值。详尽描述土壤酶反应体系对于学术出版是极其重要的,因为它提供了一种标准,使得一种土壤中的酶活能够与另一种土壤中的酶活进行合理的比较。此外,使用有效的酶活测定方法得到的研究结果,可提高我们对土壤酶在土壤中的作用的理解,包括许多重要的土壤过程或功能。

土壤酶反应体系被设计用于确定土壤酶存在状态下酶促反应过程速率,从而获得反应体系中土壤酶的浓度。一般来说,偏好测量反应产物的产生量。测定土壤中反应产物浓度较低甚至不存在时反应产物浓度的微小变化,要比测定反应底物较高背景浓度时反应底物浓度的微小变化,要容易得多。必须指出,在某些情况下,没有好的分析方法来提取和检测土壤酶促反应的产物。在这种情况下,就需要测量反应底物的消耗。

故弄清楚影响土壤酶活的因子,创建有效的、标准的土壤酶反应体系对于研究土壤生物地球化学过程极其重要。

土壤酶可分成胞内酶和胞外酶两类。由于一些物质太大,不能穿过细胞膜,进入细胞内部,所以胞外酶对于大分子物质代谢特别重要。研究土壤胞外酶,对于理解整个土壤系统至关重要。

美国托莱多大学的K.R. Saiya-Cork等(K.R. Saiya-Cork, et al., 2002)在Soil Biology & Biochemistry上报道了长期氮沉降对糖槭林土壤中胞外酶活性的影响,该文创建了一个被广泛使用的酶活反应体系,测量并比较了氮沉降对凋落物和土壤有机质分解过程中10种胞外酶活性的影响。这些酶活变化表明,N沉降增加了凋落物分解速率,抑制了SOM的分解。

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土壤(A)和凋落物(B)胞外酶活性对氮沉降的响应

该文的通信作者Robert L. Sinsabaugh更是土壤酶活研究领域的领军人物,于08年在Ecology Letters上报道了全球尺度的土壤酶活化学计量研究成果(Robert L. Sinsabaugh, et al., 2008);于09年在Nature上报道了土壤和沉积物中微生物有机养分获取的土壤酶化学计量研究成果;于12年Annual Review of Ecology and Systematics上回顾了土壤酶化学计量与生态学理论。

近期,中国科学院成都生物研究所朱晓敏等(Zhu Xiaomin, et al., 2020)以“Differential effects of N addition on the stoichiometry of microbes andextracellular enzymes in the rhizosphere and bulk soils of an alpine shrubland”为题,在Plant Soil报道了氮添加对微生物和胞外酶化学计量的影响。胞外酶活性测量采用了K.R. Saiya-Cork等创建的酶活反应体系,共计测量了高寒灌丛根际土和非根际土的4种胞外酶活性,其中,一种为有机碳分解酶(β-1,4-glucosidase,BG),两种为有机氮分解酶(L-leucine aminopeptudase,LAP;β-N-acetylglucosaminidase,NAG),一种为有机磷分解酶(acid phosphate,AP),用于评价微生物的营养状态。用Ln(BG): Ln(LAP+NAG),Ln(BG): LN(AP),Ln(LAP+NAG): Ln(AP)分别表示胞外酶的C:N,C:P,N:P化学计量比(Sinsabaugh et al., 2009)

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结果表明,氮添加显著增加根际土的C、N、P分解酶活性,其中P分解酶活性增加最多,导致土壤酶的C:P和N:P比例显著下降。根际土壤酶N:P比与植物、土壤和微生物的N:P比呈负相关,说明在施氮条件下,增加植物和微生物对P的吸收,可能会逐渐加剧根际P限制。氮添加显著提高非根际土C分解酶活性,并降低土壤酶的C:N比。同时,非根际土壤酶C:N比与土壤C:N比呈负相关,但与植物C:N比无关,说明氮添加可能加剧非根际微生物C限制。

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氮添加对根际土和非根际土C、N、P获取土壤胞外酶活性及其化学计量的影响
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氮添加对根际土和非根际土的微生物生物量和酶活的影响以及地上-地下化学计量的相关性

关于土壤酶化学计量能否真实确定微生物的养分限制状态,也存在争议,一些研究结果与预期不符。最近,日本林业和森林产品研究所的Taiki Mori (Taiki Mori, 2020)在Soil Biology and Biochemistry上以“Does ecoenzymatic stoichiometry really determine microbial nutrientlimitations?”为题,阐述了个人对土壤酶化学计量能否真实确定微生物的养分限制状态争议的观点,赞同土壤酶化学计量理论,但鉴于纤维素只能提供C源,而几丁质、肽聚糖、蛋白质等既是N源,也是C源,如果几丁质、肽聚糖、蛋白质等作为主要C源,就需要增加以往表征N限制的酶(LAP、NAG等)去获取C。基于该认识,提出了相应的概念模型。

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区分基质的土壤酶化学计量理论概念模型

参考文献

1. Dick W A. Development of a soil enzyme reaction assay[J]. Methods of soil enzymology, 2011, 9: 71-84.
2. Saiya-Cork K R, Sinsabaugh R L, Zak D R. The effects of long term nitrogen deposition on extracellular enzyme activity in an Acer saccharum forest soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2002, 34(9): 1309-1315.
3. Sinsabaugh R L, Lauber C L, Weintraub M N, et al. Stoichiometry of soil enzyme activity at global scale[J]. Ecology letters, 2008, 11(11): 1252-1264.
4. Sinsabaugh R L, Hill B H, Shah J J F. Ecoenzymatic stoichiometry of microbial organic nutrient acquisition in soil and sediment[J]. Nature, 2009, 462(7274): 795-798.
5. Sinsabaugh R L, Follstad Shah J J. Ecoenzymatic stoichiometry and ecological theory[J]. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics, 2012, 43: 313-343.
6. Zhu X, Liu M, Kou Y, et al. Differential effects of N addition on the stoichiometry of microbes and extracellular enzymes in the rhizosphere and bulk soils of an alpine shrubland[J]. Plant and Soil, 2020: 1-17.
7. Mori T. Does ecoenzymatic stoichiometry really determine microbial nutrient limitations?[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2020: 107816.

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