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”特征的類生命體，而不是惰性物質(zhì)的簡單堆砌。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)物和無機(jī)物。這些反應(yīng)，大多數(shù)都需要土壤酶的催化，如果沒有土壤酶，土壤將喪失其功能，地球上所有的生命最終都將受到影響。
土壤酶活測定，是基于土壤加入底物培養(yǎng)過程中，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。土壤酶活測量過程中，產(chǎn)物或底物的提取效率、測試土樣為風(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)過程中有沒有搖動(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)家通常不直接測量土壤中酶的濃度。土壤酶濃度的測定首先需要從土壤中提取特定的蛋白，然后對蛋白進(jìn)行定量。這是特別困難的，在很多情況下，也是沒有意義的。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，使用有效的酶活測定方法得到的研究結(jié)果，可提高我們對土壤酶在土壤中的作用的理解，包括許多重要的土壤過程或功能。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)過程速率，從而獲得反應(yīng)體系中土壤酶的濃度。一般來說，偏好測量反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)生量。測定土壤中反應(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，沒有好的分析方法來提取和檢測土壤酶促反應(yīng)的產(chǎn)物。在這種情況下，就需要測量反應(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)體系對于研究土壤生物地球化學(xué)過程極其重要。土壤酶可分成胞內(nèi)酶和胞外酶兩類。由于一些物質(zhì)太大，不能穿過細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，所以胞外酶對于大分子物質(zhì)代謝特別重要。研究土壤胞外酶，對于理解整個(gè)土壤系統(tǒng)至關(guān)重要。美國托萊多大學(xué)的K.R. Saiya-Cork等(K.R. Saiya-Cork, et al., 2002)在Soil Biology & Biochemistry上報(bào)道了長期氮沉降對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，測量并比較了氮沉降對凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)分解過程中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)道了氮添加對微生物和胞外酶化學(xué)計(jì)量的影響。胞外酶活性測量采用了K.R. Saiya-Cork等創(chuàng)建的酶活反應(yīng)體系，共計(jì)測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)，說明在施氮條件下，增加植物和微生物對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比無關(guān)，說明氮添加可能加劇非根際微生物C限制。氮添加對根際土和非根際土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.
