微生物周转不同介质中蔗糖时的稳定碳同位素分馏：土壤、无碳石英与液体介质

为揭示生态系统功能与土壤有机碳（SOC）动态，利用 δ13C 存在差异的 C3/C4 植被源是重要手段，但不同碳库间 δ13C 差异带来同位素分馏解读挑战。研究人员以 C3/C4 蔗糖为碳源开展微生物周转同位素分馏研究，发现 CO?13C 贫化、微生物生物量13C 富集，为相关研究提供参考。

　　

在生态系统的碳循环奥秘探索中，土壤有机碳（SOC）的动态变化始终是科学家关注的焦点。利用具有不同稳定碳同位素比值（δ¹³C）的 C3（如小麦、水稻等光合途径中最初产物为三碳化合物的植物）和 C4（如玉米、甘蔗等最初产物为四碳化合物的植物）植被来源，成为揭示生态系统功能和土壤有机碳动态的重要钥匙。然而，在这一过程中，底物、微生物生物量、呼吸产生的 CO?等不同碳库间 δ¹³C 的差异，如同笼罩在碳循环研究上的一层迷雾 —— 同位素分馏现象的存在，给准确解读生态系统碳过程带来了巨大挑战。特别是微生物对底物进行初始周转时发生的同位素分馏过程，如同碳循环 “黑箱” 中的关键齿轮，其作用机制尚不清晰，导致人们在利用 δ¹³C 数据解析碳交换时可能陷入误判。

为了拨开这层迷雾，深入理解微生物周转底物过程中的同位素分馏规律，研究人员开展了相关研究。不过，文档中未明确提及研究机构信息。研究团队以 C3（δ¹³C 为 - 26.6‰）和 C4（δ¹³C 为 - 12.2‰）蔗糖作为唯一碳源，将从土壤中提取的微生物群落分别在无碳液体培养基、无碳石英介质以及土壤中进行培养实验，旨在追踪不同介质条件下微生物周转蔗糖时的同位素分馏特征。这项研究成果发表在《Applied Soil Ecology》，为土壤碳循环研究提供了关键的基础数据。

研究主要采用了微生物培养与同位素测定技术。研究人员准备了 C3 和 C4 来源的蔗糖作为单一碳源，提取土壤中的微生物群落，将其置于无碳液体培养基、无碳石英介质以及天然土壤这三种不同的培养环境中进行孵育实验。在培养过程中，对呼吸产生的 CO?、微生物生物量以及土壤有机碳中的 δ¹³C 进行精准测定，通过对比不同碳库的同位素比值，分析微生物周转过程中的同位素分馏模式。

不同介质中呼吸 CO?的同位素分馏特征

研究发现，无论培养介质是土壤、无碳石英还是液体培养基，呼吸产生的 CO?均表现出明显的¹³C 贫化现象。与底物蔗糖相比，C3 蔗糖培养体系中 CO?的 δ¹³C 值降低了 3.0‰，C4 蔗糖体系中则降低了 4.3‰。这表明微生物在代谢蔗糖产生 CO?的过程中，更倾向于利用含¹²C 的碳化合物，导致 CO?中¹³C 的相对含量减少，且这种分馏效应在不同介质中具有一致性。

土壤微生物生物量与土壤有机碳的同位素变化

在土壤培养体系中，土壤有机碳的 δ¹³C 值在培养前后未发生显著变化，说明短期培养条件下土壤原有有机碳的同位素组成相对稳定。然而，土壤微生物生物量的 δ¹³C 值却比蔗糖底物富集了 3–7‰。这意味着微生物在同化蔗糖碳构建自身生物量时，更倾向于保留¹³C，使得微生物生物量中的¹³C 相对含量升高，这种富集效应可能与微生物代谢过程中的碳分配机制有关。

综合研究结果表明，在微生物对蔗糖的初始周转过程中，底物与呼吸 CO?之间存在约 4‰的稳定同位素分馏。这一发现具有重要的科学意义：在针对特定底物的短期研究中，若忽略微生物引起的同位素分馏，可能导致对不同碳库间碳交换量的高估或低估。例如，在利用 δ¹³C 天然丰度研究土壤短期碳周转和激发效应时，微生物分馏的忽视可能使研究结论出现偏差，本研究揭示了这类研究中潜在的方法缺陷。

研究同时指出，当前的发现主要基于蔗糖这一单一底物的简单体系。而在自然生态系统中，微生物面对的往往是成分复杂的有机底物，如植物残体、根系分泌物等。因此，进一步探究复杂底物周转过程中微生物同位素分馏的调控因素，如微生物群落组成、底物化学结构等，将有助于更全面地理解土壤有机碳的长期动态变化。这不仅能够完善生态系统碳循环模型，还能为准确利用 δ¹³C 数据解析土壤碳过程提供更可靠的理论依据，推动土壤生态学和全球变化研究的发展。