土壤氨基糖微生物转化过程与机理探讨

土壤氨基糖因其异源性和稳定性可用以指示微生物对土壤碳（C）氮循环的相对贡献。但由于氨基糖是微生物在土壤中长期残留的平衡结果，其数量变化无法准确反映在微生物作用下无机态氮（N）向氨基糖转化的动态过程和机制，从而使氨基糖对土壤氮内循环的指示作用受到限制。如果能够利用新的技术手段研究土壤氨基糖的微生物转化过程，将使土壤氮素内循环研究产生突破。同位素技术是研究土壤C，N转化过程的有效手段。但是研究特定化合物如氨基糖的微生物转化过程还需要新的技术支持，本研究首先建立了稳定同位素培养－气质联机技术测定土壤氨基糖同位素富集比例新方法。对于15N培养样品，由于氨基糖分子中只有一个N原子，15N富集比例可通过m/z（F+1）与F相对丰度的比值计算；对于13C培养样品，由于葡萄糖c整体掺入形成氨基糖c骨架，所以利用m／z（F＋n）与F相对丰度的比值计算13c在土壤氨基糖中的富集（n为质谱碎片中骨架C原子数）。同位素富集用原子百分超（APE）表示。EI和cI两种方式测得的APE有很好的同一性，且不受土壤基质的影响，表明方法的可靠性和广泛适用性。利用以上方法，进行了土壤样品的同位素培养与测定，以跟踪土壤氨基糖微生物合成动态，进行氨基糖的微生物转化与更新研究。主要结论如下：1．当以葡萄糖为碳源且每周施入底物时，NH4+和NO3-均可被微生物迅速同化并进行氨基糖的合成。但NO3-必须被还原成NH4＋才能被微生物利用，因而NO3．存在短暂的滞后期，之后被微生物快速利用。氨基葡萄糖（GluN）和胞壁酸（MurN）不同的同位素富集特征表明，N源形态对细菌增殖无显著影响，但真菌更倾向于利用NH4+。在NO3-培养中氨基糖的增量及微生物对C的截获均小于NH4＋。2．分别利用u一13c一glucose一NH4十和glLlcose一ISNH4＋进行样品培养时，同位素富集趋势相同，但APE（13C）大于APE（15N），这种差别反映了了土壤微生物利用C，N的时间特征及土壤有机质含量对C，N循环的影响。3．以gtucose-15NH4+为底物时，施入N素频率的改变也会影响微生物的活性。尤其是细菌的快速生长受到N素不足的限制，转而代之以细菌和真菌的持续的低速生长。微生物活性的降低减少了对有机c的截获。DCD的加入有效抑制了NH4+向NO3一的转化，但对氨基糖的合成无显著影响。4．土壤氨基糖反映的主要是土壤中已经死亡了的微生物的一种长期过程而产生的残留，同土壤微生物量无明显的相关性。但经外加底物培养后，氨基糖同位素富集比例的变化则来源于微生物的转化，因而与微生物量碳有直接的相关性。5．从原理上说，在氨基糖的微生物合成过程中，葡萄糖没有发生C骨架的断裂，而是直接转化成为氨基葡萄糖的骨架。但在复杂的土壤基质中，氨基葡萄糖的合成必然受到葡萄糖其他生物化学过程的影响。使少量葡萄糖经酵解后再次参与己糖胺的合成。以全取代葡萄糖为底物时，葡萄糖碳骨架的断裂与重排不影响13c同位素的富集。但对于单取代葡萄糖培养来说，必须要考虑因葡萄糖碳骨架断裂而产生的同位素的重新分配，Mass（F+1）和Mass（F+2）的丰度变化的总和真正代表了氨基葡萄糖的同位素富集。6．添加有机物料和N素进行土壤样品培养时，对外加氮素的同化远低于相应的葡萄糖培养。碳源尤其是能源不足限制了N的转化。微生物分解高C加的有机物料需吸收外加N源以满足自身生长需要。N素的加入频率影落响微生物对外加N素的利用。当加入的N不能满足微生物分解有机物料的需要，就会降低微生物对有机物料的分解速度，使无机N向氨基糖态N转化速度降低。应用稳定同位素技术，发现施到土壤中的无机氮素可被微生物快速转化成某种形态有机氮，这种有机态氮处于不断转化循环之中，构成土壤有效氮的暂存"过渡库"，其中氨基糖是重要成分之一。过渡库现象的发现为氮肥的有效利用提供了新的思路。根据土壤有效氮"过渡库"的模型，氮月巴高效利用调控实际上就是土壤氮素微生物转化过程的调控。提高土壤无机氮素向土壤有机氮的转化速率和转化强度可以有效减少无机氮在土壤中的积累，从而降低肥料和土壤氮素的硝化和反硝化损失，提高氮肥利用率。研究还发现，土壤有效氮"过渡库"容量与循环速率不仅取决于N源自身性质，碳源的可利用性显著影响施入土壤的N素微生物转化特征。只有适当提高可利用碳源即活性碳源的数量，才能提高氮素的微生物同化，土壤有效氮"过渡库"容量，从而减少氮素损失。