溶解性有机质功能分子多样性在分解初期的短期增加现象及其微生物驱动机制

《Nature Communications》：Decomposition causes short-term increases in functional molecular diversity of dissolved organic matter

本研究针对微生物分解过程如何影响土壤溶解性有机质（DOM）功能分子多样性的关键问题，通过18O-H2O同位素标记技术结合傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）等多组学方法，发现早期分解阶段（7天）微生物合成代谢显著提升DOM功能分子多样性（Rao（multivariate）），而长期分解（>60天）导致微生物回收产物积累、多样性下降。该成果发表于《Nature Communications》，为理解土壤碳周转的微生物调控机制提供新视角。

　　

在土壤这个巨大的碳库中，溶解性有机质（DOM）如同活跃的"血液"，驱动着碳循环的进程。长期以来，科学界对土壤有机碳的认知经历了从"植物残体主导"到"微生物驱动"的范式转变。然而，微生物分解过程中，究竟是如何通过消耗（catabolism）和合成（anabolism）代谢塑造DOM的分子多样性？这种多样性又如何反过来影响碳的矿化？这些关键问题始终笼罩在迷雾之中。更令人困惑的是，早期研究表明，随着分解的进行，DOM的分子多样性会降低，但功能分子多样性（即考虑化合物化学特性差异的多样性）却可能在短期内增加。这种看似矛盾的现象背后，隐藏着怎样的微生物代谢密码？

为了揭开这一谜团，由Rachelle E. Davenport和Johannes Lehmann领衔的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究。他们巧妙地将¹⁸O-H₂O同位素标记技术与高分辨率质谱分析相结合，如同给微生物代谢过程安装了一个"追踪器"，首次清晰揭示了分解过程中DOM功能分子多样性的动态变化规律及其微生物驱动机制。

研究团队通过构建蓝格兰马草分解微宇宙实验系统，结合液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）、傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）和气体色谱-质谱（GC-MS）等多组学技术，分析了长达220天分解过程中DOM的分子特征。同位素比值质谱（IRMS）用于量化微生物对¹⁸O的同化，而衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）则用于追踪DOM组成的整体变化。分子多样性计算涵盖了分子丰富度、基于丰度的分子多样性（HN_（q=2））和功能分子多样性（Rao_{（multivariate）}）等多个维度。

分解对DOM组成和分子多样性的影响

研究发现，DOM分子丰富度和多样性在分解初期（32天内）变化最为显著。到第60天，LC-MS/MS鉴定的化合物分子丰富度比初始值下降了24%，基于丰度的分子多样性（HN_（q=2））在整个培养期间下降了70%。然而，功能分子多样性（Rao_{（multivariate）}）在最初32天内增加了23%，之后又逐渐下降至初始水平。DOM组成在分解初期的分子不相似性（Bray-Curtis不相似性指数）增加了40%，显著高于后期（32-220天）的30%。非吹扫性有机碳（NPOC）浓度在前32天下降60%，之后188天仅下降10%，表明碳损失主要发生在分解早期。

微生物对分子多样性和组成的贡献

¹⁸O-H₂O同位素示踪实验显示，前7天的微生物呼吸占整个60天培养期总累积呼吸的40%。到第7天，与无菌对照相比，生物微宇宙中的NPOC和溶解有机氮（DON）浓度分别下降58%和30%。微生物将¹⁸O掺入有机质的过程（作为微生物活动的指标）到第60天显著下降，水可提取有机质（WEOM）和氯仿可提取有机质（CEOM）分别下降25%和63%。

FT-ICR-MS分析揭示了不同提取组分中¹⁸O标记化合物的特征。在WEOM组分中，¹⁸O标记化合物比非标记化合物具有更低的碳标称氧化态（NOSC，更还原）和更高的H:C比。从第7天到第60天，WEOM中¹⁸O标记化合物的分子丰富度和功能分子多样性分别下降10%和22%，而非标记化合物的分子丰富度和基于丰度的分子多样性（HN_（q=2））分别下降32%和38%。甲醇可提取有机质（MEOM）中非标记化合物的功能分子多样性下降26%，而CEOM组分的各项多样性指标随时间变化不显著。

微生物消耗简单糖类并产生有机酸

在分解后期（>32天至220天），DOM显示出微生物产物特征化合物的积累。ATR-FTIR光谱显示酰胺C=O键区域（-1660至-1630 cm^-1）发生变化，脂肪族C-H弯曲区域（-2990至-2800 cm^-1和-1470至-1370 cm^-1）峰值增加。分解最初两天最丰富的代谢物是简单糖类（如蔗糖、乳糖、木糖等），而到第220天，最丰富的代谢物变为有机酸（如癸二酸、脱落酸等）。GC-MS分析表明，第60天的代谢物组成更加相似，主要包含发酵产物（如乳酸、D-葡萄糖酸等）和源自坏死生物质蛋白分解的次级胺。

较高的平均DOM分子量与降低的DOC矿化相关

尽管分子多样性指标与碳矿化无显著相关性，但CO₂呼吸与分子量呈负相关（R²=0.32，p=0.003）。低分子量化合物（<408 Da）由于需要较少代谢能量且缺乏足够营养用于生物量合成，可能具有更短的周转时间。

研究结论与意义

这项研究揭示了DOM功能分子多样性在分解过程中呈现"钟形曲线"变化规律：早期阶段（<32天），微生物的高活性通过胞外解聚和细胞内代谢途径，同时产生来自植物碎屑和新微生物物质的多样化化合物，导致功能分子多样性增加；而长期分解（>60天）后，微生物有机质成为主导，细胞回收过程产生分子相似的化合物，致使多样性下降。

研究挑战了"分子多样性通过稀释效应抑制碳矿化"的传统观点，证明分子量等化学特性比多样性本身对碳矿化具有更强预测能力。这为理解土壤碳持久性提供了新视角：微生物代谢途径和化合物化学特性共同调控碳周转，而非单纯的分子复杂性。

该研究创新性地将同位素示踪与多组学技术结合，首次实现了对分解过程中微生物来源DOM的直接追踪，为土壤碳循环模型提供了重要的机制性见解。未来研究需进一步明确特定微生物代谢途径对DOM多样性的贡献，以及分子多样性变化对有机质-矿物相互作用的潜在影响。