《Soil Science Society of America Journal》：Assessing fungal–mineral interactions in soil: A review of microscale methods
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矿物的生物风化(biological weathering)在地质时间尺度上通过驱动土壤形成、养分循环和长期生物地球化学过程，深刻改变了地球。在土壤生物中，真菌凭借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，日益被认为是风化作用的关键但尚不
矿物的生物风化(biological weathering)在地质时间尺度上通过驱动土壤形成、养分循环和长期生物地球化学过程，深刻改变了地球。在土壤生物中，真菌凭借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，日益被认为是风化作用的关键但尚不明确的驱动者。本综述综合了从微尺度菌丝-矿物界面到景观乃至全球影响等不同尺度上对真菌-矿物相互作用(fungal–mineral interactions)的当前认识。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、生物矿物形成和矿物感知能力。研究进一步评估了研究真菌-矿物相互作用的传统和新兴方法，涵盖显微技术（扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)、透射电子显微镜(transmission electron microscopy, TEM)、氦离子显微镜(helium ion microscopy, HIM)和原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)）、基于X射线的分析（计算机断层扫描(computed tomography, CT)；X射线衍射(x-ray diffraction, XRD)；能量色散X射线光谱(energy dispersive x-ray spectroscopy, EDS)、X射线荧光光谱(x-ray fluorescence, XRF)和X射线吸收光谱(x-ray absorption spectroscopy, XAS)）、地球化学分析（顺序提取和质谱法(mass spectrometry, MS)）、分子工具（扩增子和宏基因组测序）以及实验室和野外实验设计考量。最后，研究人员讨论了未来研究方向，包括增强硅酸盐风化、气候建模以及材料科学和地外科学的应用。通过探索真菌风化研究中悬而未决的问题和挑战，综述强调需要进行定量、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
生物风化(biological weathering)在地质历史中深刻影响了地球表层，土壤形成和养分循环与生命活动密切相关。真菌因其菌丝网络、代谢多样性和共生关系，被确认为矿物风化的重要驱动者。尽管区分生物风化与无机风化仍具挑战，但真菌能够在微尺度上通过物理接触和化学分泌，并与植物、细菌等形成共生联合体，从而影响土壤pH、养分有效性、温度与水分等环境因素，并可能累积为景观乃至全球尺度的效应。本综述聚焦共生真菌（尤其是菌根真菌和地衣），旨在整合从菌丝-矿物界面到全球尺度的研究进展，并强调对真菌风化作用进行定量研究的必要性。
2 真菌的生命——从过去到现在
真菌约在10亿年前由单细胞水生祖先演化而来，而最古老的菌根化石可追溯至4亿多年前，与陆地植物的兴起在时间上重叠，可能加剧了早期的硅酸盐风化。约2.95亿年前，腐生真菌获得降解木质素的能力，对碳循环产生了深远影响。真菌在土壤中的成功主要归因于其三维分支的菌丝网络，该网络具有高表面积-质量比，能够高效探索土壤并响应养分热点。菌丝还可通过膨压产生机械力，甚至穿透矿物表面。共生适应性包括生物被膜和地衣等，这些联合体通过富集分泌物和螯合风化产物促进矿物风化。菌根真菌作为植物根系的延伸，约有80%的维管植物与之形成共生关系，这种关系促进了陆地生态系统的建立和持续的矿物风化。
3 真菌-矿物相互作用
真菌-矿物相互作用的核心发生在菌丝与矿物表面的微尺度界面，其强度取决于局部微环境条件，并可能显著区别于土壤本体性质。真菌风化可增强土壤养分供给，但其净贡献仍不明确。
3.1 生物物理风化
生物物理风化是指真菌通过机械力作用于矿物。高分辨率显微技术已观察到菌丝附着于矿物表面并侵入亚表面隧道、裂缝和矿物层间。菌丝可产生高达8兆帕(MPa)的膨压，但现有研究仍难以区分主动穿透与利用既有裂隙的被动生长。未来需要实时、无化学干扰的观察技术以提供明确证据。
3.2 生物化学风化
化学过程被认为是真菌风化矿物最主要的贡献途径。真菌呼吸释放的CO
2溶于孔隙水形成碳酸，同时分泌有机酸和络合剂，在菌丝-矿物接触点富集，促进矿物溶解。例如，草酸可导致磷灰石中钙的淋溶并形成草酸钙晶体。溶解沟槽和蚀坑是常见的风化形貌。真菌风化释放的养分还可导致溶液过饱和，进而沉淀草酸盐、碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐和氧化物等生物矿物(biominerals)，这些矿物常包裹菌丝并保存其形态，是地质记录中重要的生物成因遗迹。
3.3 矿物生物感知
真菌表现出向养分丰富矿物的趋向性生长，例如磷灰石、钾长石、水铁矿和层状硅酸盐，而对石英或硅玻璃等底物偏好较弱。矿物偏好在分子层面也有体现，如钾缺乏时真菌上调与有机酸产生相关的基因。在群落水平上，不同矿物底物上的真菌群落组成存在差异。养分贫乏环境会增强真菌对富营养矿物的定殖偏好，但植物宿主与真菌在感知养分缺乏中的相对角色仍需厘清。
3.4 真菌-土壤相互作用
真菌通过菌丝缠绕和分泌胞外聚合物促进土壤团聚体的形成与稳定，并增加土壤颗粒的粘附性。丛枝菌根真菌产生的球囊霉素相关土壤蛋白也与团聚体稳定性有关。真菌分泌物可改变土壤疏水性和孔隙结构，进而影响水分入渗和持水能力。在碳循环方面，腐生真菌分解有机大分子，菌根真菌则通过植物宿主输入地下碳，并通过菌丝周转和分泌物促进矿物结合态有机碳的吸附与持久性。这些过程共同影响土壤有机碳的分布与长期储存。
4 研究方法和手段
真菌-矿物相互作用的研究常结合多种方法，以在微米至纳米尺度上实现可视化和定量表征。
4.1 可视化方法
扫描电子显微镜(SEM)可对菌丝、生物被膜和矿物表面形貌进行微米至纳米级成像，但样品需导电镀膜并耐受真空。透射电子显微镜(TEM)可用于观察菌丝内部结构及菌丝-矿物界面，并能重建三维结构，但需要超薄切片。氦离子显微镜(HIM)提供亚纳米级高对比成像，且无需导电镀膜，适合非导电生物样品，可与二次离子质谱或聚焦离子束联用。原子力显微镜(AFM)以纳米级分辨率探测矿物表面形貌，可观察蚀坑和矿物边缘变化。微型X射线计算机断层扫描(MicroXCT)可实现三维体积成像，并对土壤团聚体、孔隙和矿物隧道进行无损分析，但菌丝与矿物基质对比度较低，需借助染色或同步辐射光源增强成像能力。
4.2 矿物学和化学方法
X射线衍射(XRD)用于鉴定矿物种类、生物矿物和风化产物，常规及同步辐射XRD可追踪粘土矿物和次生矿物的变化。顺序提取(sequential extractions)通过逐步使用不同强度试剂，区分可交换态、有机束缚态和难溶矿物相中的元素，用于估算风化速率和风化产物分布。质谱(MS)技术能够定量元素和同位素，例如纳米尺度二次离子质谱可用于追踪植物向菌根真菌的碳输运，基质辅助激光解吸电离质谱成像可揭示有机酸的空间分布。能量色散X射线光谱(EDS)常与电子显微镜联用，生成元素分布图，用于鉴别矿物、生物矿物和风化产物。X射线荧光光谱(XRF)可提供元素分布图像。X射线吸收光谱(XAS)及其精细谱(XANES、EXAFS)可确定元素氧化态和配位环境，常用于研究铁、磷、钾及有毒金属在真菌-矿物体系中的形态转化。
4.3 分子方法与真菌鉴定技术
内部转录间隔区(ITS)扩增子测序是真菌物种鉴定的常用方法，其高拷贝数和保守区与可变区组合适合聚合酶链式反应(PCR)扩增，但引物偏好和数据库偏倚可能导致稀有物种或特定类群被低估。宏基因组测序(metagenomic sequencing)可全面获取环境DNA，提供更完整的群落与功能信息，但真菌基因组庞大且参考数据库不完整，限制了功能注释。此外，形态学鉴定依据子实体或菌丝解剖特征可反映生态功能，例如根据菌根形态划分的勘探类型与养分获取策略相关，但许多真菌难以培养，因此形态学常与分子方法联合使用。
4.4 实验设计
实验室实验可精确控制养分、pH和微生物组合，便于验证机制，但无法完全模拟自然生态系统的复杂性，且可能因纯培养和人工介质而高估风化速率。野外原位网袋(mesh bag)法通过不同孔径网袋置于土壤中，可控制植物根系与微生物进入，同时允许水分和养分通过，常埋设于有机层以研究菌根真菌对矿物底物的定殖和风化效应。网袋法允许回收前表征的材料进行后续分析，但新鲜研磨矿物可能因高比表面积和活性位点导致风化速率偏高，且野外条件难以单独操控环境变量。
5 未来研究应用
真菌风化研究对增强硅酸盐风化(enhanced silicate weathering)和肥料增效具有重要意义，菌根接种剂可能提高作物对矿物养分的利用。将真菌过程纳入全球碳循环模型，有助于降低长期气候预测的不确定性。真菌对建筑和文化遗产材料的降解也促使开发抗真菌保护策略。在材料科学方面，真菌诱导的生物矿物沉淀可用于自修复混凝土，真菌合成的金属纳米颗粒在电化学领域具有潜力。真菌生物浸矿和生物修复技术可应用于金属提取和污染物去除，但其规模化效率仍需改进。此外，真菌特有的风化遗迹和生物矿物可作为地外生命探测的潜在生物特征(biosignatures)，为解释其他行星样本提供地球类比。
6 结论
真菌对矿物的风化在土壤形成和养分循环中发挥重要作用，但其全球意义和分布仍未得到充分定量评估。未来研究需要将微尺度观察与景观尺度过程联系起来，改进全球生物地球化学模型，并扩展物种特异性研究以挖掘真菌在养分活化、生物修复和生物采矿中的生物技术潜力。当前的研究瓶颈包括真菌-矿物相互作用尺度微小、真菌难以培养、生物与非生物风化重叠以及土壤系统的高度复杂性。纳米和微尺度方法的发展为克服这些挑战并回答未来关于养分循环、生态系统动态和地外未知领域的问题提供了新机遇。
