非生物呼吸：土壤中的另一种“呼吸”方式？

《SCIENCE ADVANCES》：Nonliving respiration: Another breath in the soil?

本研究通过1H NMR、同位素分析和燃料电池实验，揭示了灭菌土壤中存在稳定的非细胞催化过程（EXOMETs），可自发将有机物氧化为CO?并传递电子至氧气，且该过程持续超过6年。实验表明土壤颗粒和溶液中的催化剂能维持代谢-like反应链，支持非细胞呼吸，挑战了传统认为呼吸需细胞内环境的观点，为土壤碳循环提供了新机制。

　　土壤是地球上碳循环的关键组成部分，其呼吸作用不仅对生态系统能量流动和养分循环至关重要，还直接影响大气中的二氧化碳浓度以及全球气候变化。传统观点认为，土壤中的有机碳氧化成二氧化碳（CO?）是一个完全依赖细胞内部过程的生化反应，但近年来，越来越多的研究表明，这种过程可能并不局限于生物体内部。本文通过一系列实验，揭示了土壤中非细胞催化机制的存在，表明土壤粒子能够在无细胞的情况下，促进有机化合物的完全氧化，并将电子传递至最终的电子受体，如氧气。这一发现对理解土壤碳循环和生态系统功能具有深远意义。

### 土壤中非细胞催化机制的存在

在土壤生态系统中，微生物通常被认为是有机物分解和碳循环的主要驱动者。然而，实验数据显示，即使在完全灭菌的土壤中，仍然可以观察到二氧化碳的释放和氧气的消耗，这表明存在非细胞的代谢过程。为了验证这一假设，研究人员利用1H核磁共振（NMR）光谱技术分析了灭菌土壤中的外源代谢组（exometabolome），并结合气体交换实验和灭菌土壤燃料电池的构建，揭示了土壤催化剂的复杂性和持久性。

研究发现，灭菌土壤中的代谢组成分随着时间的推移呈现出显著的变化，这种变化与未灭菌土壤不同。在灭菌土壤中，即使没有活细胞的存在，代谢物的多样性仍然在增加，说明非细胞机制能够持续地进行化学反应。此外，通过使用13C标记的葡萄糖和柠檬酸作为底物，研究人员进一步确认了这些非细胞过程能够有效地将有机物氧化为二氧化碳，并且这种氧化过程伴随着氧气的消耗，表明电子传递机制在灭菌土壤中依然存在。

### 非细胞代谢反应的动态特性

在非灭菌土壤中，代谢物的多样性和丰富度随着微生物的分解活动而逐渐减少。然而，在灭菌土壤中，这种趋势被逆转，代谢物的种类和数量随时间增加。这表明，灭菌土壤中的非细胞代谢过程能够独立于微生物活动，维持有机物的分解和转化。研究人员通过分析不同时间点的代谢物动态变化，发现某些代谢物的浓度会随时间波动，表明存在分子的消耗和再生产过程。

在灭菌土壤中，通过添加13C标记的底物，可以追踪其在代谢过程中的转化路径。研究显示，灭菌土壤中添加葡萄糖或柠檬酸后，二氧化碳的同位素组成（δ13C-CO?）显著改变，表明这些底物确实被氧化为二氧化碳，并且其同位素特征与微生物来源的呼吸不同。这进一步支持了非细胞机制在土壤碳循环中的作用。

### 土壤燃料电池的构建与电子转移能力的验证

为了进一步验证土壤中的电子转移能力，研究人员构建了灭菌土壤燃料电池。这种装置模拟了土壤中的氧化还原梯度，将土壤柱的上部暴露于空气中，下部则被封闭，从而形成从顶部（阴极）到底部（阳极）的氧气梯度。实验中发现，当添加了钠吡ruvate作为底物时，土壤燃料电池能够产生显著的电流和电压，而添加水或NaCl的对照组则没有类似反应。这表明，土壤中的非细胞机制能够有效地将有机物氧化产生的电子传递至氧气，形成类似于细胞呼吸的电子转移链。

在实验中，研究人员还观察到电流随时间的变化趋势。在添加钠吡ruvate后的前3天，电流迅速上升并达到峰值，随后逐渐下降，最终趋于稳定。这一现象表明，土壤中的非细胞催化过程具有一定的持续性，并且在底物充足的情况下能够维持较长时间的活性。此外，通过改变外部电阻，研究人员能够测量燃料电池的电压和电流，进一步验证了土壤中电子转移的效率和稳定性。

### 长期非细胞催化活动的持续性

为了研究非细胞催化活动的长期稳定性，研究人员将灭菌土壤微宇宙培养了超过6年。实验结果显示，即使在长时间的培养后，土壤中的二氧化碳释放速率仍然保持稳定，表明非细胞催化机制具有极强的持久性。在未添加葡萄糖的对照组中，二氧化碳释放速率下降幅度较小，而在添加葡萄糖的实验组中，释放速率在第4年后显著增加，这表明土壤中的非细胞催化剂能够持续地氧化有机物，即使在长期的环境中。

通过统计模型分析，研究人员发现，土壤中的非细胞催化活动可能由多种类型的催化剂共同作用。这些催化剂包括高度稳定的矿物催化剂和酶类物质，它们能够在长时间内维持化学反应的进行。模型结果显示，土壤中的催化活动可以分为快速和慢速两个阶段，快速阶段可能由酶类物质主导，而慢速阶段则可能涉及矿物催化剂。这一发现挑战了传统观点，即认为细胞是唯一能够进行复杂代谢活动的生物实体。

### 土壤催化剂的种类与作用机制

土壤中的催化剂主要包括酶类物质和矿物。酶类物质通常来源于微生物的分泌，但在灭菌土壤中，这些酶可能已经失活或被固定在土壤颗粒上。而矿物催化剂，如铁（Fe）和锰（Mn）的氧化物，可能在土壤中发挥更重要的作用。这些矿物具有高度的稳定性，能够在长时间内维持催化活性，从而促进有机物的氧化和分解。

研究还发现，土壤中的矿物催化剂能够诱导有机物的水解和异质氧化，从而在没有细胞参与的情况下完成有机物的完全矿化。例如，铁（II）在洪水平原土壤中被发现是有机物氧化的主要驱动力，其催化能力超过了微生物的活动。此外，纳米矿物酶（mineral nanozymes）也被认为在土壤碳循环中起着重要作用，因为它们具有强大的催化活性，能够促进有机物的分解和转化。

### 非细胞代谢对土壤碳循环的影响

非细胞代谢过程的存在表明，土壤中的碳循环不仅仅依赖于微生物活动，还可能受到矿物催化剂的显著影响。这种非细胞机制能够在没有细胞的情况下，持续地氧化有机物，并将电子传递至氧气，从而维持土壤中的氧化还原反应。这一过程不仅能够影响土壤中的碳储量，还可能对大气中的二氧化碳浓度产生重要影响。

研究还指出，非细胞代谢过程与细胞代谢过程在响应环境因素方面存在差异。细胞代谢过程受到生理条件的限制，如温度、湿度和营养供给，而非细胞过程则具有更高的稳定性和耐受性，能够在极端条件下持续进行。这种差异表明，非细胞代谢过程在土壤生态系统中可能具有独特的适应性，能够在微生物活动受限的情况下维持碳循环。

### 非细胞代谢的潜在生态意义

非细胞代谢过程的存在不仅对土壤碳循环有重要影响，还可能对生态系统中的其他过程产生作用。例如，土壤中的矿物催化剂可能参与氮循环、磷循环等其他生物地球化学过程。此外，非细胞代谢过程的稳定性意味着，即使在微生物活动受到抑制的情况下，土壤仍然能够维持一定的生物地球化学活性。

这一研究还为探索地球早期化学反应提供了新的视角。一些科学家认为，地球早期的代谢过程可能主要依赖于非酶促的化学反应，而矿物催化剂可能在这一过程中起到了关键作用。例如，铁（II）离子已被证明能够在类似原始海洋的条件下催化多种生化反应，包括糖酵解和磷酸戊糖途径中的关键步骤。这些发现表明，非细胞代谢可能在生命起源过程中扮演了重要角色，并且在现代土壤生态系统中仍然具有显著的生态意义。

### 研究方法与实验设计

为了验证非细胞代谢的存在，研究人员采用了多种实验方法，包括1H NMR光谱分析、同位素标记实验、燃料电池构建以及长期培养实验。1H NMR光谱技术能够提供土壤代谢组的详细信息，帮助研究人员追踪有机物的分解过程。通过添加13C标记的底物，研究人员能够区分不同来源的二氧化碳，进一步验证非细胞过程的贡献。

在燃料电池实验中，研究人员模拟了土壤中的氧化还原梯度，并通过测量电流和电压的变化，评估土壤中的电子转移能力。长期培养实验则通过监测二氧化碳的释放速率和同位素组成，确认非细胞催化活动的持久性。这些实验设计不仅能够提供关于土壤代谢过程的直接证据，还能够揭示不同催化剂在不同时间尺度上的作用机制。

### 研究的科学意义与未来展望

本研究的发现对土壤科学和地球化学领域具有重要意义。首先，它挑战了传统观点，即认为土壤中的有机碳氧化仅限于细胞内过程。其次，它揭示了土壤中非细胞催化机制的复杂性和持久性，表明土壤不仅是一个物理环境，还是一个具有多种化学反应能力的活性系统。此外，这些发现还可能对理解地球早期的代谢过程和生命起源提供新的线索。

未来的研究可以进一步探讨不同矿物催化剂在土壤中的具体作用机制，以及它们如何与有机物相互作用，促进碳的矿化。此外，还可以研究非细胞代谢过程对土壤碳储存和释放的长期影响，以及其在不同土壤类型和环境条件下的表现。这些研究将有助于更全面地理解土壤生态系统中的碳循环过程，并为环境保护和碳管理提供新的思路。