基于微尺度光谱检测的土壤微生物活性渐进式监测策略及其在碳循环中的关键作用

本研究针对土壤有机质(SOM)降解过程中微生物活性的关键作用，创新性地结合Vis-NIR-SWIR和Mid-IR反射光谱技术，联合同步辐射红外显微光谱和X射线荧光成像，建立了微生物活性表征新方法。研究团队在巴西Piracicaba地区采集35份土壤样本，通过分析微生物生物量碳(MBC)和β-葡萄糖苷酶、脲酶、磷酸酶活性，发现特定光谱特征(R2=0.45-0.7)与CH、NH、CO、COH、PO官能团相关。该研究为可持续土壤管理提供了快速、无损的微生物活性监测工具，对理解碳循环机制具有重要意义。

　　

土壤是地球最大的陆地碳库，其碳动态变化直接影响全球气候变化。土壤有机质(SOM)的降解程度与微生物胞内外酶活性密切相关，其中矿物结合有机质(MAOM)是最稳定的微生物转化产物，而颗粒有机质(POM)是其主要底物。然而，传统微生物活性检测方法耗时费力，且难以揭示微生物-矿物相互作用的微观机制。针对这一科学难题，巴西圣保罗大学等机构的研究人员开发了一种创新的渐进式光谱监测策略，相关成果发表在《Soil Advances》上。

研究团队采用递归特征消除(RFE)算法筛选特征波段，结合Vis-NIR-SWIR(350-2500nm)和Mid-IR(4000-600cm^-1)光谱分析，并运用巴西同步辐射光源实验室的显微红外光谱和μ-XRF技术。从Piracicaba地区采集的35份土壤样本中分离POM和MAOM组分，测定MBC和三种酶活性。

研究结果显示，Mid-IR光谱在600-1800cm^-1指纹区可有效识别微生物细胞组分。β-葡萄糖苷酶活性与POM中的不稳定碳组分显著相关，在2032cm^-1以上波段响应强烈；脲酶活性与NH基团(3400cm^-1)相关；磷酸酶则持续与PO基团(960-1200cm^-1)相关联。同步辐射成像证实，Fe/Al包被的土壤颗粒增强了酶-颗粒相互作用。Vis-NIR-SWIR光谱在350-400nm波段可识别微生物与铁氧化物的相互作用，而2200-2300nm区域则反映稳定的有机-矿物结合态。

该研究创新性地建立了微生物活性与特定光谱特征的对应关系，证实POM组分能提供更好的酶活性分辨效果，而MAOM组分则反映了长期碳库特征。光谱技术作为传统方法的替代方案，不仅实现了微生物活性的快速无损检测，更揭示了有机-矿物复合体的形成机制。这些发现为理解土壤碳 sequestration 过程提供了新的视角，对制定科学的土壤管理策略具有重要指导意义。研究还发现，磷酸酶因其与矿物表面的PO-Fe键合而表现出最强的稳定性，这一发现为解释土壤碳稳定性机制提供了直接证据。