Новая стратегия получения питательных веществ микробами в условиях низкого содержания кислорода

Мангровые леса признаны одними из самых богатых углеродом (C) экосистем, хотя занимают лишь около 0.1% поверхности суши Земли. Они считаются важным стоком C из-за заболоченных условий, высоких скоростей седиментации, высокой первичной продуктивности, уникальной структуры корней и аноксичных почв, ведущих к низким скоростям разложения C. В последние десятилетия поступление азота (N) и фосфора (P) в мангровые леса значительно возросло из-за деятельности человека, но влияние на циклы C, N и P в почве неясно.

Кроме того, из-за повышения уровня моря участки мангровых лесов, обнажающиеся во время отлива, будут дольше находиться под водой, что окажет каскадное влияние на циклы C, N и P из-за колебаний аэробных и анаэробных условий. Однако закономерности и движущие факторы цикла C в почве при добавлении N и P и снижении доступности кислорода в мангровых лесах до конца не изучены.

В этом исследовании доктор Цзи Чен выявил новую компромиссную взаимосвязь между эффективностью использования углерода (CUE) микробами и активностью специфических внеклеточных ферментов, добывающих питательные вещества, в условиях сниженного содержания кислорода, независимо от уровней N и P. Результаты были опубликованы 29 декабря 2022 года в Soil Ecology Letters.

Почвенные микроорганизмы и внеклеточные ферменты играют ключевую роль в модуляции циклов C, N и P, предпочитая вкладывать ресурсы в производство ферментов для получения лимитирующих рост веществ. Однако производство ферментов энергетически и углеродно затратно, что может связывать или разобщать циклы C, N и P микробов. Метаболический коэффициент микробов (qCO2) — отношение микробного дыхания к биомассе — используется для оценки CUE. Если микробы вкладывают больше C и энергии в добычу питательных веществ, это приводит к более высокому qCO2 и более низкой CUE.

Ранее предполагалось, что почвенные микроорганизмы, вероятно, снизят CUE, чтобы поддерживать метаболическую активность в неблагоприятных условиях. Однако оставалось неясным, будут ли они изменять свою CUE в ответ на нагрузку N и P и снижение кислорода. Внешние нагрузки N и P существенно изменили циклы C, N и P у микробов и, как ожидается, влияют на CUE и производство ферментов.

Это исследование развивает предыдущую работу, демонстрируя компромисс между микробной CUE и специфической активностью внеклеточных ферментов (EEA) в условиях сниженного кислорода, что указывает на более высокую энергетическую стоимость производства единицы фермента. Эта взаимосвязь может существенно углубить понимание микробно-опосредованных циклов C и питательных веществ.

Например, учет взаимосвязи между CUE и производством ферментов значительно улучшил прогнозы моделей динамики почвенного C. Однако этот компромисс не был учтен в экспериментальных или модельных рамках для прогнозирования получения ресурсов и циклов питательных веществ в анаэробных экосистемах.

Кроме того, сдвиги в составе микробного сообщества могут играть ключевую роль в производстве ферментов при сниженном кислороде, что подчеркивает необходимость более глубоких исследований состава сообщества. Учитывая большие площади глобальных анаэробных экосистем и их огромные запасы C, необходимы дополнительные исследования взаимосвязей между CUE и специфической EEA и их механизмов.

Ограничения и неопределенности:

  1. Лишь несколько исследований одновременно изучали микробную биомассу углерода (MBC), дыхание и EEA в мангровых лесах при сниженном кислороде, что ограничивает сравнение результатов.
  2. Лабораторная инкубация в данном исследовании не полностью отражает in situ микробное дыхание из-за нарушения почвы, краткосрочности инкубации и отсутствия поступления углерода от растений.
  3. Существует несколько различных ферментов, добывающих C, N и P, тогда как в анализе векторов ферментов рассматривались только BG, NAG и AP.
  4. CUE — это отношение C, направленного на рост, к поглощенному микроорганизмами C, но оно варьируется в зависимости от масштаба и методов расчета (например, использование qCO2).
  5. Сдвиги в составе микробного сообщества могут объяснять компромисс между CUE и EEA, но прямых доказательств, связывающих изменения в конкретных сообществах с дыханием, не хватает.