💡这项突破是什么?
南湖新闻网讯（通讯员 吴一超 钱佩佩）9月28日，国际地球科学期刊《自然—地球科学》（Nature Geoscience）在线发表我校资源与环境学院、农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室蔡鹏教授团队在土壤生物地球化学领域的最新研究成果《微生物胞外产物是土壤矿物结合态有机碳库的重要来源》（“Microbial extracellular residues are a major source of mineral-associated soil carbon”）。土壤有机碳库是陆地生态系统中最大的活跃碳库，其微小变化都可能对全球碳循环和气候系统产生重要影响。近年来，土壤碳循环理论提出植物与微生物残留物是土壤有机碳（SOC）的主要组成部分。其中，微生物细胞生长、死亡后形成的残留物可通过矿物吸附实现长期保存，被认为是土壤稳定有机碳形成的重要途径。然而，微生物在生长代谢过程中除细胞生长外，还大量分泌胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）。EPS富含多种活性官能团并具有较强的黏滞性，具备形成稳定SOC的潜力。但迄今为止，受限于定量表征手段的缺乏以及传统认知的制约，EPS被视为含量低、稳定性差的有机质，一直没有被纳入土壤碳循环理论的系统评估范畴。针对这一关键科学问题，研究团队构建土壤EPS量化表征方法体系，结合全国农田土壤调查与稳定碳同位素标记实验，揭示出微生物胞外碳驱动土壤有机碳形成与稳定的新机制。该研究不仅拓宽了对SOC循环过程与机制的科学认知，也为精准评估土壤固碳潜力与应对气候变化提供了重要理论支撑。
由于缺乏量化标志物，EPS在复杂土壤有机质背景下难以实现准确的含量测定及动态通量评估。针对这一技术瓶颈，团队首先整合81组不同微生物来源EPS组分数据，发现EPS中的多糖和蛋白质碳占EPS总碳的比例稳定在74%左右，表明二者可作为定量表征土壤EPS碳的标志物。该方法可有效排除其他有机质的干扰，估算结果与实测值高度相关（R² = 0.89），同时具备良好一致性（IA = 0.96）。在此基础上，团队进一步开发了基于酸沉淀、蛋白酶解和超滤筛分的EPS标志物纯化方案，并将其与H₂¹⁸O示踪技术相结合，通过定量分析¹⁸O在土壤胞外多糖和蛋白质中的掺入，准确测定了EPS的合成速率。该方法突破了土壤EPS含量及动态通量难以准确量化的技术限制，为深入解析微生物胞外碳的合成、转化过程及其生态功能提供了关键技术支撑。
图1 土壤EPS碳动态合成方法的建立
基于本研究建立的EPS定量方法，研究团队采集了覆盖中国南北约3624 km范围内的55个农田土壤样品，系统解析了土壤非矿物稳定态EPS碳含量及其产生速率。研究发现，尽管非稳态EPS碳仅占SOC总量的3.2%，但其产生速率与微生物细胞生物量的产生速率相近。这一结果首次表明，EPS是土壤微生物大量合成和释放的重要有机碳组分，并非传统认知中的“微量微生物产物“。进一步基于全国尺度农田土壤样品，采用多元回归等统计分析发现，微生物来源有机碳与SOC均呈显著正相关。其中，EPS与土壤矿物结合态有机碳含量表现出较强的相关性，且这种关联不受微生物细胞碳含量的影响。梯度增强回归树和结构方程模型等分析进一步表明，微生物胞外产物是土壤矿物结合态有机碳的关键预测因子，而微生物细胞碳对于土壤矿物结合态有机碳变化解释能力相对较弱。这些结果表明，微生物胞外碳可能是土壤矿物结合态有机碳的重要来源。
图2 农田土壤EPS含量及其对矿物结合态有机碳的影响
为了进一步回答“EPS是否是土壤矿物结合态有机碳的重要来源”这一关键科学问题，研究团队制备了¹³C标记的微生物EPS，并分别将其与细胞残体和植物来源碳输入不同类型土壤中开展同位素示踪。结果显示，EPS输入显著提高了土壤矿物结合态有机碳含量。13C示踪分析表明，EPS来源碳能够有效形成土壤矿物结合态有机碳，且在部分土壤类型中的积累水平高于细胞残体，证明EPS是土壤矿物结合态有机碳的重要来源。为进一步解析EPS来源碳在土壤矿物界面的稳定形态，研究人员在灭菌土壤中加入13C标记底物并对矿物结合态EPS和细胞残体的化学组成进行对比分析。结果发现，灭菌土壤中矿物结合态EPS中的葡萄糖胺含量显著高于细胞残体，同时具有更高的烷基碳/烷氧碳比值。相比之下，EPS来源碳在自然土壤中形成的土壤矿物结合态有机碳的葡萄糖胺含量介于矿物结合态EPS和细胞残体之间，并同样表现出较高的烷基碳/烷氧碳比值。这一结果表明，输入土壤中的EPS经历了微生物代谢与再同化过程，转化形成新的EPS及细胞残体，最终参与土壤矿物结合态有机碳的形成与稳定。基于矿物结合态EPS和细胞残体的葡萄糖胺含量特征，研究团队估算了三种土壤中EPS在土壤矿物结合态有机碳中的相对占比。结果显示，在由EPS形成的土壤矿物结合态有机碳中，约有30%–70%的碳以EPS形态存在。上述证据从分子结构层面进一步确证了EPS不仅是土壤矿物结合态有机碳的重要碳源，也是其重要组成部分。
图3 稳定碳同位素示踪EPS有效进入土壤矿物结合态碳库
本研究结合全国尺度农田土壤调查、稳定同位素示踪、生物标志物分析、固态¹³C核磁共振和纳米二次离子质谱等多尺度、多方法表征体系，系统揭示了土壤EPS的合成、转化与稳定是微生物向土壤输入稳定有机碳的重要途径，为理解微生物介导的土壤碳循环与稳定过程提供了新的视角。该研究拓展了传统以微生物细胞碳为核心的土壤微生物碳泵理论框架，将微生物胞外碳输入与稳定路径纳入土壤碳循环研究体系。研究成果深化了对微生物源有机质形成、转化与稳定机制的认识，为解析全球变化背景下微生物组调控土壤碳归宿及其稳定性提供了新的理论依据，同时也为增强农田土壤碳汇能力、优化土壤碳管理措施提供了科学支撑。
图4 EPS介导的土壤碳固存途径
华中农业大学资源与环境学院博士研究生钱佩佩和吴一超副研究员为论文共同第一作者，吴一超副研究员和蔡鹏教授为共同通讯作者。华中农业大学黄巧云教授、谭文峰教授、刘玉荣教授、英国利兹大学Caroline L. Peacock教授、英国皇家园艺学会Marc A. Redmile-Gordon研究员、中国科学院生态环境研究中心朱永官研究员、肖可青研究员、中国科学院沈阳应用生态研究所梁超研究员、朱雪峰副研究员、中国科学院植物研究所冯晓娟研究员、中国科学院华南植物园何先进研究员等参与了本项研究工作。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。
【英文摘要】
Soil microbes play a crucial role in soil organic carbon storage by processing plant-derived carbon and producing microbial carbon, which can accumulate over time and form a substantial fraction of the soil organic carbon stock. While the contribution of microbial cellular residues, the remains of dead microbial cells, to soil carbon storage is well established, the role of extracellular residues remains poorly quantified. Here we develop an 18O-H2O isotope tracing method to quantify the production of extracellular polymeric substances, mucus-like mixtures of sugars, proteins, and other biopolymers released by microbes, and apply it across a national-scale survey of cropland soils in China. We find that extracellular polymeric substances constitute a major microbial carbon input to soils, with production rates comparable to those of microbial cellular residues and they exhibit statistical associations with mineral-associated organic carbon across soils. In 13C-labelling microcosm experiments, carbon derived from extracellular polymeric substances is incorporated into the mineral-associated organic carbon pool at rates comparable to or exceeding those of microbial cellular residues. These results identify the extracellular pathway as an important and previously underappreciated mechanism contributing to the mineral-associated carbon pool and provide mechanistic insights into how microbiomes shape the fate of soil carbon under global change.
