原名：Hazardous gases sustain microbes underfoot

译名：有害气体维持地底微生物的生存

期刊：Nature Microbiology

土壤微生物群落是地球上最多样化的生物群落。这些微小的生命调控了对人类至关重要的过程，包括调节全球气候以及维护土壤和植物健康。尽管土壤是研究时间最长的微生物生境之一，但由于在实验室中分离土壤微生物带来的挑战，大多数土壤微生物多样性仍未得到描述。 直到最近，由于DNA测序和计算技术的改进，才有可能量化土壤微生物组中代谢多样性的大小。在本期《自然微生物学》中，Bay等人表明土壤中含有丰富的微生物，这些微生物具有出乎意料的能力，可以从对人体有害的气体中获取能量。

尽管我们不完全了解土壤微生物多样性，但我们知道微生物需要水，能量和养分（主要是碳，氮和磷）才能繁殖。由于种类繁多，这些微生物群是广泛的代谢多样性的来源，因为它们进化出多种策略来获取地球上各种土壤条件下的营养和能量。传统知识认为，土壤主要由微生物控制，这些微生物消耗有机化合物(如糖)，有机化合物既是能源来源，又是碳营养来源。这些微生物被称为异养生物，它们将较大的有机化合物分解成较小的分子，并利用细胞与氧气的呼吸作用获取储存在化学键中的能量。由此产生的分子被用作新微生物生物量的构建模块，收集的能量被用于为新细胞的构建提供燃料(图1a)。因此，土壤异养生物在全球碳循环中发挥着关键作用，既可以将植物源碳吸收为新的微生物生物量，也可以将剩余的碳以二氧化碳的形式呼吸回大气，从而结束碳循环(图1)。

一氧化碳(CO)、氢气(H₂)和甲烷(CH₄)--所谓的“微量气体” 通常在大气中以低浓度存在，这是人类活动和自然因素共同作用的结果。一氧化碳对使用血红蛋白作为氧气载体的动物来说是有毒的，H₂和CH₄易燃，CH₄是全球变暖的重要原因。土壤微生物作为来源，在大气微量气体平衡中起着重要作用。事实上，许多培养的土壤微生物利用微量气体来获得能量(CO, H₂和CH₄)或碳元素(CO和CH₄)。然而，微量气体的利用被认为是一种特殊的作用，在土壤微生物组中是罕见的。

Bay等人结合宏基因组学，现场研究和热力学建模，证明微量气体代谢在土壤微生物群中广泛存在。基于宏基因组分析的预测表明，与预期的一样，大多数土壤微生物可以通过对有机碳的有氧利用获得能量。然而他们的结果表明，使用微量气体作为能源的土壤微生物比例高得惊人 (56%的土壤微生物可以使用CO, 39%可以使用H₂, 1%可以使用CH₄)。作者在几种土壤中检测了几种微量气体的快速消耗率，并表明这些消耗率随土壤深度和水分有效性而变化。最后，通过热力学建模，他们支持了一种假设，即来自微量气体代谢的能量在理论上可以支持干旱或地下土壤中普遍存在的面临碳不足的异养微生物的基本能量需求(图1b)。这些发现将以前关于异养微量气体利用的报道扩展到所有主要的土壤细菌门。

许多土壤微生物利用有机碳以外的化合物来获取能量，这一结论可能会影响我们对微生物与土壤有机质相互作用的理解。碳利用效率(CUE)是一个度量指标，用于量化土壤异养生物如何分配其在营养和能量需求方面消耗的碳。在生态系统规模上，CUE是微生物群如何提供生态系统服务(如碳储存)以及这些服务如何响应环境变化的指示器。更深入理解微生物活动与CUE的交互作用是未来土壤碳预测的关键， CUE的主要原理是土壤异养生物仅从其消耗的有机碳中获取能量和营养碳（图1a）。如果其他能量产生机制（例如微量气体代谢）增加了一部分微生物的能量需求，那么当前的CUE测量值可能会被低估（图1b）。例如，具有高异养微量气体代谢率的土壤可能比具有较低微量气体消耗率的土壤更有效地将可利用的土壤碳转化为新的微生物生物量，但是这一想法尚待验证（图1b）。尽管微量气体的利用仅占每个细胞能量需求的一小部分，并累及了整个生态系统中的所有微生物，但这种影响可能抵消了大量的土壤碳，否则这些土壤碳将被呼吸为CO₂。

Bay等人的研究表明，土壤微生物具有比先前研究了解到的更大的代谢灵活性。这一发现改变了我们如何思考土壤微生物在土壤碳循环中的作用，并为养分有限的条件下土壤微生物利用的生物学机制开辟了新的研究途径。

图1 微量气体的利用可能会影响土壤微生物对土壤CUE的估算

A：经典观点是土壤异养菌消耗土壤有机质，并将其用作新微生物的碳构件和通过细胞呼吸的能量。根据微生物和底物的不同，大约60％的碳消耗量被用作新细胞的结构单元，其余的则被用于呼吸。

B：Bay等表明微量气体代谢在土壤异养菌中很普遍，并为它们提供了辅助能源。微量气体代谢可能有助于将消耗的土壤碳物质更有效地分配给新的微生物的生产，特别是在低碳土壤中。