翻译丨Xseres
编辑丨JinTao.Li溶解性有机质（Dissolved organic matter, DOM）在土壤生物地球化学过程中扮演着重要角色，影响着土壤养分循环和有机质贮存。当前关于DOM分解的一个公认的范式是，在经过一系列生物和非生物的作用下，DOM会降解成具有低分子量和高分子多样性特点的惰性分子。利用超高分辨率质谱和核磁共振波谱，结合半定量方法，研究人员对20个温带草原群落0-60cm土壤DOM分子变化进行了研究。研究发现，土壤DOM在垂直迁移过程中，其分子组成和性质也在发生不断变化，反映了DOM来源的不断变化。研究观察到，DOM的植物源分子首先被分解为大量的低分子化合物；但在随后的向下迁移过程中，这些低分子化合物的丰度逐渐下降，植物源木质纤维素结构也被消耗，而微生物源的大分子化合物的丰度却逐渐增加。结果表明，DOM中植物源小分子会优先被微生物利用和消耗，然后被转化为微生物源的大分子化合物。研究表明，DOM的惰性（持久性）并不是固有的，而是在土壤迁移时经过一系列消耗、转化和形成等过程作用的结果。原文信息
标题：Persistence of dissolved organic matter explained by molecular changes during its passage through soil 期刊：Nature Geoscience 类型：Article 作者：一作：Vanessa-Nina Roth；通讯：Markus Lange【Max Planck Institute for Biogeochemistry】 时间：2019-8-5 DOI：https:///10.1038/s41561-019-0417-4 点击文末左下角 “阅读原文” 可直达原文
研究背景溶解性有机质（Dissolved organic matter, DOM）通量是全球碳循环的一个关键组成部分，在碳和元素循环及分布中发挥着重要作用。DOM最初从降解的植物材料中淋溶出，或直接从植物根系分泌出；然后在土壤的迁移过程中，其性质发生改变。在植被到地下水这一关键带中，发生着有机质的产生、降解、再加工、储存和向下运输等过程。而这些过程使得陆地DOM通过土壤剖面并最终进入地下水时性质迅速发生变化。然而，对于这些过程是如何影响DOM向下运输过程中的分子性质还缺乏普遍共识。而且多年来，关于DOM分子的化学性质也一直存在争论，即DOM中是否存在内在惰性的分子。 惰性分子由于其分子性质被认为是难降解的。然而，最近的研究表明，土壤有机质随土壤深度的变化，在很大程度上受其可获得性、浓度、生物可利用性和生物可降解性的控制，但不受DOM分子的任何内在惰性影响。DOM在土层的垂直迁移中伴随着一系列的吸附、解吸附以及微生物过程。比如由于光吸收结构（即有色有机物）的优先损耗，随土层深度的增加，DOM颜色的变化甚至肉眼可见（从黄褐色变为透明）。微生物群落能够分解绝大多数DOM分子。因此，微生物群落有可能能够适应特定深度土层的DOM分子特性，并降解其关键组分，导致DOM的组成和结构随土壤深度发生变化。然而，微生物处理不仅涉及消耗和降解，还可能涉及新分子的产生和累积，然而我们对此却知之甚少。 对此，研究人员利用超高分辨质谱（电喷雾电离-傅里叶变换-离子回旋共振质谱，ESI-FT-ICR-MS）和核磁共振（1H-NMR）技术，对20个草地群落0–60cm土壤的DOM分子组成进行了研究，并分析了与环境驱动因素的关系。 研究结果不同土层的DOM化学特性 研究发现，随着土壤深度的增加，DOM的分子组成不断变化，中等分子（质荷比m/z=300-450）相对丰度增加，而低分子（m/z =300-450）相对丰度降低（Fig.1 a-d）。然而，大多数可检测到的分子在各个土层均有分布，但相对丰度不同。10cm和60cm土层之间DOM的分子性质差异最大（Fig.1 e-g；Table 1）。随着土壤深度的增加，低分子量的芳香族CHO化合物（仅含碳、氢和氧原子，AImod>0.54）丰度降低。CHNO化合物有类似趋势，但CHOS化合物却有所不同。 液体1H-NMR也发现了DOM分子组成随深度的变化。芳香族和烯烃以及O-烷基碳（表示碳水化合物和甲氧基官能团）的相对比例随深度而降低，而饱和基团（脂肪族和sp3-杂交碳）随深度增加。乙酸类似物和富含羧基的脂环分子的相对比例在不同深度上保持稳定。 
Fig.1 | 基于FT-ICR质谱的土壤DOM分子变化。a–d: 10cm、20cm、30cm和60cm深度土壤的DOM质谱。黄色区域表示低分子量范围内的最大强度，蓝色区域表示中等分子量范围的最大强度。e–j：10cm和60cm深度土壤DOM的质谱对比(e-g)及相应的V-K图（h-j）。k–n：土壤深度对DOM的m/z、H/C、O/C和AImod的线性回归。
DOM转变的驱动因素 土壤深度对DOM的分子特性和组成的影响，主要是由于沿土壤剖面的根系生物量、土壤有机碳和土壤氮的减少，而不是土壤粘土含量的减少造成。为了估计DOM转化的潜在驱动因素的相对重要性，研究人员运用方差分解，比较了(1)植物源输入(根系生物量)、(2)土壤物理属性(粘土、有机碳、氮的含量)和(3)微生物群落(细菌和真菌生物量及其各自的遗传多样性)的相对影响。结果表明，这3个影响因素共同解释了DOM分子变异的46-67%。土壤微生物群落是最重要的预测因素（平均解释了25%的分子DOM变化），其次是土壤物理属性（19%）和根部生物量（10%，Fig.2a）。此外，很大一部分变异（13%）是由微生物群落和根部生物量共同解释的。细菌通常比真菌解释更多的变异（Fig.2b）。然而，超过40%的DOM变异仍未被解释，表明还有其他环境变量影响了DOM的分子变异。这种未解释的DOM变异可能与土壤粘土的化学成分、根系分泌物和根部化学成分（受植物成分和多样性的影响）有关，也可能与分解者群落和较高营养级的组成有关。 
Fig.2 | 驱动DOM转化的潜在因素的方差分解。a：土壤、根系和微生物群落解释的变异；b：仅细菌和真菌解释的变异。图中显示了m/z、H/C、O/C、AImod和分子组成的变异的平均解释度。
低分子量化合物的丰度随着土壤深度的增加而持续下降，但中分子量和高分子量化合物的丰度在10 cm至30 cm之间变得更加丰富，并且在30 cm以下有所下降（Fig.3a）。出乎意料的是，低分子量与中分子量化合物强度比值的变化(Imid/Ilow)与DOM的降解状态（降解指数Ideg）密切相关(R2 = 0.71；Fig.3b)。因此，随着土壤深度的增加，DOM的降解性增加(较高的Ideg )和DOM分子量增加(较高的Imid/Ilow)。
Fig.3 | 土壤DOM在垂直迁移过程中分子量的变化。a：低、中、高分子量的绝对信号强度。b：中分子量和小分子量化合物的相对强度（Imid/Ilow）和DOM的降解指数（Ideg）相关。
DOM持久性的机制 研究表明，化学惰性并不是小分子DOM能够持久保存的主要机制。相反，研究发现DOM分子的分解是随着深度的增加而增加。土壤DOM分子的持久性是由于微生物的转化、DOM的消耗以及新的微生物源组分的形成而造成。微生物的利用、转化和产物首先导致植物源聚合物的优先降解、部分矿化，并将其转化为各种小分子，随后又被土壤微生物群落利用。随着土壤深度的增加，芳香性和不饱和度逐渐降低，在深层土壤的DOM分子的主要来源是微生物，包括分解产物或细菌残体。 
Fig.4 | 土壤垂直迁移过程中DOM分子结构的时空演化机制
总结过去普遍认为，在植物源碳的早期分解过程中，会产生越来越多的低分子化合物，从而使得大生物聚合物在分解过程中迅速降解。然而，本研究结果并不支持这一观点。相反，该研究认为，植物材料在分解成小分子后，会被消耗微生物，然后部分矿化或转化为了较大的微生物源分子，形成土壤有机质和DOM的次生碳库（Fig.4）。研究结果也证实，低分子化合物中含有的早期分解产物，可能与植物源材料密切相关；而新出现的高分子化合物并不是随机聚合产物，而是从分解者群体中形成的新分子，来源于微生物组织、碎片或产物。因此，DOM的分解主要不是产生惰性分子，而是在迁移过程中不断被分解、回收和形成新的化合物，也解释了DOM能够在土壤中持续存在（Fig.4）。DOM在土壤中的垂直运输被认为是土壤功能的核心，例如，在沿土壤剖面形成土壤有机碳。很多关键土壤过程都是由微生物驱动或调控的。因此，DOM既是土壤中微生物的养分和能量来源，其分子特征也反过来直接被微生物所影响。
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