新型宏观量热呼吸计揭示土壤微生物碳代谢机制：热通量、CO2释放与同位素分析的整合研究

本文介绍新型宏观量热呼吸计（CR-12）在土壤微生物代谢研究中的突破性应用，通过同步监测热通量（P）和CO2释放速率（CER），结合13C标记技术与热重-差示扫描量热-四极杆质谱（TG-DSC-QMS），揭示了微生物碳周转路径及土壤有机质（SOM）形成机制，为土壤碳循环研究提供了高精度、高通量的技术平台。

　　

仪器设计

本研究开发并测试了用于土壤分析的自定义宏观量热呼吸计（CR-12）。CR-12将量热传感器集成到商业呼吸计（CarbOBot）中以扩展其功能。量热扩展单元已通过验证，详细描述见Fricke等人（2024）的研究。每个量热呼吸通道底部配备热流传感器（GM200-161-12-40），通过热电效应将样品释放的热量转换为电压信号。系统包含24个独立通道，每通道容积250 mL，可容纳10 g土壤样品，避免了传统仪器在样品通量与体积间的权衡问题。

通过商用微热量计对比验证CR-12系统的量热单元性能

评估新型量热计的关键指标是热产生速率（P）和累积热量（Q）的准确性。P反映反应动力学，Q表征总反应转化量。所有仪器记录的P峰值时间均介于16.97–20.33小时之间，但商用设备（如TAM III和TAM Air）的P最大值（24.02–29.61 × 10^-2 W g^-1 C）低于CR-12的测量结果。CR-12的Q值与TAM Air接近，但显著高于TAM III，这可能源于样品异质性或仪器灵敏度差异。CR-12的校准呼吸比（CR_R和CR_C）与碳水化合物有氧代谢的理论范围（300–500 kJ mol^-1 CO₂）一致，证实其数据可靠性。

讨论

CR-12测量的P和Q曲线与商用微热量计结果具有可比性，证明其适用于土壤研究。定量差异主要归因于CR-12恒温箱的热稳定性不足导致的较长平衡时间，而非系统固有缺陷。大样品容积和高通量设计有效避免了氧限制问题，无需中途通气，减少了热扰动对数据连续性的影响。结合¹³C标记葡萄糖的TG-DSC-QMS分析，CR-12实现了对微生物碳流向SOM的动态追踪，为土壤碳固存机制研究提供了多维数据支持。

结论

新型宏观量热呼吸计CR-12在土壤研究中展现出显著优势：（1）单一样品同步测量P与CER；（2）大样品容量提升数据代表性；（3）高通量设计支持多重复实验。其整合量热与呼吸测量的能力，为土壤碳循环、微生物能量代谢及SOM形成机制研究提供了革新性技术平台。