《Soil Science Society of America Journal》：Assessing fungal–mineral interactions in soil: A review of microscale methods
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生物对矿物的风化作用在地质时间尺度上深刻改变了地球，推动了土壤形成、养分循环和长期生物地球化学过程。在土壤生物中，真菌因其独特的菌丝生长形态、代谢能力以及与植物和其他微生物的共生关系，被日益认为是风化作用的关键但尚不明确的驱动者。本综述综合了当前从微尺度菌丝-
生物对矿物的风化作用在地质时间尺度上深刻改变了地球，推动了土壤形成、养分循环和长期生物地球化学过程。在土壤生物中，真菌因其独特的菌丝生长形态、代谢能力以及与植物和其他微生物的共生关系，被日益认为是风化作用的关键但尚不明确的驱动者。本综述综合了当前从微尺度菌丝-矿物界面到景观及全球影响等多尺度对真菌-矿物相互作用的理解。研究人员首先回顾了真菌的演化历史，并探讨了真菌风化的物理和化学方面，包括生物物理穿透、有机酸产生、生物矿物形成以及矿物感知能力。研究人员进一步评估了研究真菌-矿物相互作用的传统和新兴方法，涵盖显微镜技术（扫描电子显微镜、透射电子显微镜、氦离子显微镜和原子力显微镜）、基于X射线的分析（计算机断层扫描；X射线衍射；能量色散、荧光和吸收光谱）、地球化学分析（连续提取和质谱法）、分子工具（扩增子测序和宏基因组测序）以及基于实验室和野外的实验设计考量。最后，研究人员讨论了未来的研究方向，包括增强硅酸盐风化、气候建模以及材料和地外科学的应用。通过探索真菌风化研究中悬而未决的问题和挑战，研究人员强调需要开展定量、跨尺度的研究，以约束真菌对过去、现在和未来环境变化的贡献。
1 引言
地球历史上生物的演化和存在显著塑造了行星表面，岩石风化促进了能够支持复杂生态系统的土壤发育。尽管生物风化的重要性仍存争议，但许多土壤形成定义肯定了生物在岩石和矿物分解中的作用。在参与矿物风化和土壤形成的生物中，真菌因其独特的菌丝网络、代谢活动以及与植物和矿物的直接物理相互作用，成为岩石分解和养分循环的重要贡献者。真菌在矿物表面建立微尺度接触点，通过机械力和有机酸攻击 mobilized 矿物结合态养分。对土壤真菌在生物地球化学循环中累积作用的理解始于微尺度，并与土壤pH、养分有效性、岩性、温度和水分等环境属性相联系，其总和有助于在景观至全球尺度上形成土壤和元素循环。
2 真菌生命——从过去到现在
生命出现约40亿年以来，地球表面的地质和化学持续受到生物与矿物相互作用的塑造。约10亿年前真菌从单细胞水生祖先演化而来，最古老的菌根化石可追溯至4亿多年前，与陆地植物的兴起重叠，可能导致硅酸盐风化的增强。腐生真菌约2.95亿年前获得木质素降解能力，标志着碳循环的关键演化。真菌作为土壤栖息者的成功主要归因于其菌丝网络，菌丝以三维分支模式生长，以最大化在异质土壤中的养分获取。共生关联如生物被膜和地衣使真菌能够克服养分缺乏、极端温度和毒性金属积累等环境压力。菌根真菌作为植物根系的延伸，向植物输送水分和养分，同时获得光合产物，约80%的维管植物物种与菌根形成共生关联。
3 真菌-矿物相互作用
真菌-矿物界面发生在小型丝状菌丝的微尺度上，菌丝与矿物表面的直接附着可实现最大化的物理和化学相互作用。真菌风化依赖于微环境条件，可显著不同于土壤整体性质。真菌通过物理穿透和有机酸产生促进风化，但也可通过保护矿物表面而抑制风化。当前认识估计生物活动总体上增加矿物风化速率。
3.1 生物物理风化
（生物）物理风化指通过机械力使材料风化，通常根据微生物与矿物表面的密切关联来推断。真菌被记录通过在地下隧道、裂缝和矿物片层间生长来破坏矿物表面。然而，研究尚未明确证明真菌主动穿透矿物的物理结构，而非在预先存在的隧道或裂缝中生长。已有研究将矿物溶解和晶格改变归因于真菌的机械力，菌丝可产生高达8 MPa的膨胀压力。
3.2 生物化学风化
化学过程被认为是真菌对矿物风化的最大贡献者。真菌通过呼吸产生二氧化碳形成碳酸，并释放有机酸和络合剂以降解矿物表面。草酸等有机酸与磷灰石中Ca的淋溶相关，导致Ca-草酸盐晶体沿外生菌根菌丝沉积。真菌释放有机酸风化矿物以满足养分需求，溶解沟和凹坑是化学风化特征的示例。生物矿物的沉淀代表真菌矿物风化释放养分的生物特征，常见的真菌生物矿物包括草酸盐、碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐和氧化物。菌丝细胞壁常作为生物矿物形成的成核位点，保存菌丝形态的化石是真菌生物风化的关键生物特征。
3.3 矿物感知
真菌表现出向富含养分的矿物（如磷灰石、钾长石、水铁矿和层状硅酸盐）的优先生长，这通常通过更大的真菌生物量、更高的阳离子和有机酸浓度来指示。分子水平上，真菌响应钾缺乏而上调促进有机酸生产的基因。群落水平上，不同矿物类型上的真菌组装不同。真菌的觅食行为也响应环境因素，在养分贫乏条件下，真菌增强对富含养分矿物的定殖偏好。
3.4 真菌-土壤相互作用
真菌通过直接和间接相互作用促进土壤形成。菌丝的机械生长改变土壤孔隙网络、水流路径和土壤团聚体。丛枝菌根和外生菌根真菌与水稳性大团聚体的增加相关，这归因于菌丝缠绕和分泌糖蛋白的粘附作用。球囊霉素相关土壤蛋白与土壤团聚体形成和稳定性相关。真菌分泌物增加土壤颗粒的粘性，并形成桥接以保持土壤颗粒。真菌还调节土壤有机碳的储存和转化，腐生真菌可分解大而稳定的有机大分子，菌根真菌代表植物宿主向下的碳通量。菌丝坏死体和有机分泌物最终降解为有机结合剂，与细矿物颗粒强关联而免受微生物降解。
4 研究方法和技巧
过去十年中，由于微米和纳米尺度分辨率的提高，方法论取得了重大进展。研究常采用多种方法以更全面理解真菌活动。
4.1 可视化方法
扫描电子显微镜（SEM）可在微米和纳米尺度可视化真菌菌丝、生物被膜与矿物基质的接触，以及磨损、平滑边缘和蚀刻等岩石蚀变证据。透射电子显微镜（TEM）可检测真菌的细胞壁、细胞器和细胞外分泌物，并提供真菌-矿物界面的横截面证据，例如真菌接触导致的黑云母机械应力和变形。氦离子显微镜（HIM）提供高对比度、亚纳米分辨率，无需导电涂层即可成像未改变的生物样本，并可与二次离子质谱联用进行元素定量。原子力显微镜（AFM）可在纳米尺度评估矿物表面形貌，检测蚀刻坑、通道和改变的矿物边缘。微X射线计算机断层扫描（MicroXCT）提供三维体积成像，可非破坏性研究土壤中的矿物风化异质性，但其对单个菌丝的可见性受限于尺寸和对比度。
4.2 矿物学和化学方法
X射线衍射（XRD）通过晶体结构的衍射模式鉴定矿物，可用于表征土壤矿物种类、生物矿物、层状硅酸盐粘土和风化壳，同步辐射XRD提供增强的分辨率和更短的扫描时间。连续提取法根据元素物种的溶解度和反应性依次使用强度递增的试剂，以量化风化过程中释放的元素及其在固体库中的分配。质谱法（MS）用于检测和定量环境样品中的化学元素和同位素，纳米二次离子质谱可追踪同位素标记碳从植物向菌根真菌的通量，基质辅助激光解吸电离MS成像可揭示有机酸的差异分布。能量色散X射线光谱（EDS）常与其他电子显微镜联用生成高分辨率元素图像，识别矿物表面元素组成和生物矿物。X射线荧光（XRF）光谱可检测元素组成并提供元素成像图，显示钾等元素的空间分布。X射线吸收光谱（XAS）方法如XANES和EXAFS利用元素的X射线吸收边来指示氧化态和地球化学形态，可揭示真菌相互作用位点附近的铁氧化和矿物表面化学变化。
4.3 分子方法和真菌鉴定技术
内部转录间隔区（ITS）扩增子测序是真菌物种水平鉴定的常用分子方法，其高拷贝数和保守/可变区域的平衡适合PCR扩增，所得序列数据可与公共数据库比对以确认真菌身份。鸟枪法宏基因组方法对从环境样品中回收的所有遗传物质进行测序，提供真菌群落的更全面视图，但真菌基因组较大且参考数据库不完整。分子分析可揭示基于真菌分类和功能多样性的模式，例如不同菌根物种的有机酸生产和风化潜力存在显著差异，不同矿物基质上形成独特的真菌和细菌群落。基于形态学的鉴定方法可提供功能背景，但受限于许多真菌无法在实验室条件下培养。
4.4 实验设计
实验室实验允许对实验变量进行控制，可实施极端养分缺乏、对比非生物/生物环境等条件，但通常无法捕捉自然系统中的生态复杂性，并可能因高浓度纯化试剂而高估矿物溶解速率。野外网格袋方法允许矿物基质在自然条件下埋藏，并通过不同网孔尺寸排除特定生态系统组分，从而实现对野外部署样品的实验控制。网格袋常埋于表层有机层以研究菌根菌丝丰度最高区域的风化，也可部署在更深剖面。该方法也存在局限，例如使用新鲜研磨矿物会导致风化速率高于自然过程。
5 未来研究应用
真菌-矿物相互作用可告知广泛的生物地球化学过程。菌根接种剂可作为肥料增强添加剂，提高矿物结合养分的释放和植物吸收。真菌在增强硅酸盐风化（将磨碎岩石施用于农田以提高肥力和碳封存）中的作用值得进一步研究。微生物-矿物相互作用的实验室和现场观测可改进全球气候和元素循环模型，减少全球碳循环模型中的不确定性。真菌对建筑材料和人造材料的退化作用需要更全面表征以开发有效的抗真菌保护处理。真菌沉淀次生矿物的能力可被利用于“自愈合”结构材料，真菌生物浸出可用于采矿工业提取金属，真菌生物修复可去除土壤污染物。真菌风化的研究甚至延伸到地外科学，通过提供可经受地质时间的生物活动指纹（生物特征），有助于识别其它行星体返回样品的潜在生物特征。
6 结论
真菌对矿物的风化作用促进土壤形成和养分循环，对生态系统功能至关重要。然而，真菌-矿物相互作用的显著性和分布仍缺乏定量化。未来研究需将微观观测与景观尺度过程联系起来，完善全球生物地球化学模型。纳米和微尺度研究方法论的进展为克服真菌培养困难、区分非生物和生物风化过程提供了新机遇。
