土壤酶化學(xué)計(jì)量研究進(jìn)展
日期：2020-10-09 18:31:01
土壤是一個(gè)具有明顯“生命”特征的類(lèi)生命體，而不是惰性物質(zhì)的簡(jiǎn)單堆砌。大量的微生物、植物和動(dòng)物可以生產(chǎn)、分解和/或轉(zhuǎn)化土壤中數(shù)不盡的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物。這些反應(yīng)，大多數(shù)都需要土壤酶的催化，如果沒(méi)有土壤酶，土壤將喪失其功能，地球上所有的生命最終都將受到影響。土壤酶活測(cè)定，是基于土壤加入底物培養(yǎng)過(guò)程中，反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生或反應(yīng)底物消耗的量進(jìn)行評(píng)價(jià)的。土壤酶活測(cè)量過(guò)程中，產(chǎn)物或底物的提取效率、測(cè)試土樣為風(fēng)干土還是鮮土、緩沖液的pH值、基質(zhì)濃度、土樣重量、反應(yīng)時(shí)間、溫度、反應(yīng)過(guò)程中有沒(méi)有搖動(dòng)、反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量、選擇一個(gè)合適的分析流程、反應(yīng)體系創(chuàng)建前樣品的保存或前處理、反應(yīng)過(guò)程是否需要輔助因子等必須考慮并加以適當(dāng)控制。所有這些因素都需要針對(duì)不同的土壤進(jìn)行仔細(xì)的評(píng)估和優(yōu)化，以提供有效的測(cè)定土壤酶活，并確保反應(yīng)速率的唯一限制因子是土壤酶的濃度。
土壤酶學(xué)家通常不直接測(cè)量土壤中酶的濃度。土壤酶濃度的測(cè)定首先需要從土壤中提取特定的蛋白，然后對(duì)蛋白進(jìn)行定量。這是特別困難的，在很多情況下，也是沒(méi)有意義的。就生態(tài)學(xué)而言，重要的是土壤酶的活性。與之不同，土壤酶學(xué)家的目標(biāo)是測(cè)量不同土壤中特定酶促反應(yīng)的活性。這需要在世界各地的實(shí)驗(yàn)室都使用標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)體系，以便提供可重復(fù)的結(jié)果。任何干擾這一目標(biāo)的行為，都將損害所獲得數(shù)據(jù)的價(jià)值。詳盡描述土壤酶反應(yīng)體系對(duì)于學(xué)術(shù)出版是極其重要的，因?yàn)樗峁┝艘环N標(biāo)準(zhǔn)，使得一種土壤中的酶活能夠與另一種土壤中的酶活進(jìn)行合理的比較。此外，使用有效的酶活測(cè)定方法得到的研究結(jié)果，可提高我們對(duì)土壤酶在土壤中的作用的理解，包括許多重要的土壤過(guò)程或功能。土壤酶反應(yīng)體系被設(shè)計(jì)用于確定土壤酶存在狀態(tài)下酶促反應(yīng)過(guò)程速率，從而獲得反應(yīng)體系中土壤酶的濃度。一般來(lái)說(shuō)，偏好測(cè)量反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)生量。測(cè)定土壤中反應(yīng)產(chǎn)物濃度較低甚至不存在時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物濃度的微小變化，要比測(cè)定反應(yīng)底物較高背景濃度時(shí)反應(yīng)底物濃度的微小變化，要容易得多。必須指出，在某些情況下，沒(méi)有好的分析方法來(lái)提取和檢測(cè)土壤酶促反應(yīng)的產(chǎn)物。在這種情況下，就需要測(cè)量反應(yīng)底物的消耗。故弄清楚影響土壤酶活的因子，創(chuàng)建有效的、標(biāo)準(zhǔn)的土壤酶反應(yīng)體系對(duì)于研究土壤生物地球化學(xué)過(guò)程極其重要。土壤酶可分成胞內(nèi)酶和胞外酶兩類(lèi)。由于一些物質(zhì)太大，不能穿過(guò)細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，所以胞外酶對(duì)于大分子物質(zhì)代謝特別重要。研究土壤胞外酶，對(duì)于理解整個(gè)土壤系統(tǒng)至關(guān)重要。美國(guó)托萊多大學(xué)的K.R. Saiya-Cork等(K.R. Saiya-Cork, et al., 2002)在Soil Biology & Biochemistry上報(bào)道了長(zhǎng)期氮沉降對(duì)糖槭林土壤中胞外酶活性的影響，該文創(chuàng)建了一個(gè)被廣泛使用的酶活反應(yīng)體系，測(cè)量并比較了氮沉降對(duì)凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)分解過(guò)程中10種胞外酶活性的影響。這些酶活變化表明，N沉降增加了凋落物分解速率，抑制了SOM的分解。土壤(A)和凋落物(B)胞外酶活性對(duì)氮沉降的響應(yīng)
該文的通信作者Robert L. Sinsabaugh更是土壤酶活研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，于08年在Ecology Letters上報(bào)道了全球尺度的土壤酶活化學(xué)計(jì)量研究成果(Robert L. Sinsabaugh, et al., 2008)；于09年在Nature上報(bào)道了土壤和沉積物中微生物有機(jī)養(yǎng)分獲取的土壤酶化學(xué)計(jì)量研究成果；于12年Annual Review of Ecology and Systematics上回顧了土壤酶化學(xué)計(jì)量與生態(tài)學(xué)理論。近期，中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所朱曉敏等(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”為題，在Plant Soil報(bào)道了氮添加對(duì)微生物和胞外酶化學(xué)計(jì)量的影響。胞外酶活性測(cè)量采用了K.R. Saiya-Cork等創(chuàng)建的酶活反應(yīng)體系，共計(jì)測(cè)量了高寒灌叢根際土和非根際土的4種胞外酶活性，其中，一種為有機(jī)碳分解酶(β-1,4-glucosidase，BG)，兩種為有機(jī)氮分解酶(L-leucine aminopeptudase，LAP；β-N-acetylglucosaminidase，NAG)，一種為有機(jī)磷分解酶(acid phosphate，AP)，用于評(píng)價(jià)微生物的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。用Ln（BG）: Ln（LAP+NAG），Ln（BG）: LN（AP），Ln（LAP+NAG）: Ln（AP）分別表示胞外酶的C:N，C:P，N:P化學(xué)計(jì)量比(Sinsabaugh et al., 2009)。結(jié)果表明，氮添加顯著增加根際土的C、N、P分解酶活性，其中P分解酶活性增加最多，導(dǎo)致土壤酶的C:P和N:P比例顯著下降。根際土壤酶N:P比與植物、土壤和微生物的N:P比呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明在施氮條件下，增加植物和微生物對(duì)P的吸收，可能會(huì)逐漸加劇根際P限制。氮添加顯著提高非根際土C分解酶活性，并降低土壤酶的C:N比。同時(shí)，非根際土壤酶C:N比與土壤C:N比呈負(fù)相關(guān)，但與植物C:N比無(wú)關(guān)，說(shuō)明氮添加可能加劇非根際微生物C限制。氮添加對(duì)根際土和非根際土C、N、P獲取土壤胞外酶活性及其化學(xué)計(jì)量的影響氮添加對(duì)根際土和非根際土的微生物生物量和酶活的影響以及地上-地下化學(xué)計(jì)量的相關(guān)性
關(guān)于土壤酶化學(xué)計(jì)量能否真實(shí)確定微生物的養(yǎng)分限制狀態(tài)，也存在爭(zhēng)議，一些研究結(jié)果與預(yù)期不符。最近，日本林業(yè)和森林產(chǎn)品研究所的Taiki Mori (Taiki Mori， 2020)在Soil Biology and Biochemistry上以“Does ecoenzymatic stoichiometry really determine microbial nutrientlimitations?”為題，闡述了個(gè)人對(duì)土壤酶化學(xué)計(jì)量能否真實(shí)確定微生物的養(yǎng)分限制狀態(tài)爭(zhēng)議的觀點(diǎn)，贊同土壤酶化學(xué)計(jì)量理論，但鑒于纖維素只能提供C源，而幾丁質(zhì)、肽聚糖、蛋白質(zhì)等既是N源，也是C源，如果幾丁質(zhì)、肽聚糖、蛋白質(zhì)等作為主要C源，就需要增加以往表征N限制的酶(LAP、NAG等)去獲取C。基于該認(rèn)識(shí)，提出了相應(yīng)的概念模型。區(qū)分基質(zhì)的土壤酶化學(xué)計(jì)量理論概念模型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.
