土壤腺苷酸能荷（AEC）：解锁土壤微生物活动奥秘的关键指标

为探究土壤微生物活动，研究人员测量土壤 AEC，发现其能解答微生物能量代谢等问题，意义重大。

　　

一、研究背景

在神奇的土壤世界里，微生物可是一群极其重要的 “小居民”，它们驱动着大多数生物地球化学过程，是土壤有机 matter（SOM）的活跃组成部分。一直以来，如何准确衡量这些 “小居民” 的活动情况，成了科学家们十分关注的问题。过去，氯仿熏蒸提取（CFE）法常被用来测量土壤微生物生物量碳（MBC）和氮（MBN） ，而腺苷酸（ATP + ADP + AMP）也被视作 MBC 的良好指标。腺苷酸能荷（AEC） ，即 (ATP + 0.5 × ADP) / (ATP + ADP + AMP)，它能反映微生物生物量碳的能量状态。然而，尽管 AEC 在土壤微生物生态学中意义重大，但由于测量方法存在困难等原因，过去十年人们对测量土壤腺苷酸和 AEC 的兴趣大幅下降。许多关于土壤微生物在能量代谢、死亡过程等方面的问题，仍未得到解答，比如土壤干湿循环时 ATP 水解和合成的能量通量是怎样的，AEC 值下降与微生物死亡之间有何联系。为了填补这些知识空白，来自德国卡塞尔大学（University of Kassel）和意大利佛罗伦萨大学（Università Di Firenze）的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Biology and Fertility of Soils》上。

二、研究方法

研究人员主要采用了多种分析技术来开展研究。在腺苷酸提取方面，对比了多种提取剂，如酸性三氯乙酸（TCA） 、酸性 PA 提取剂、碱性 Na₃PO₄/DMSO/EDTA 提取剂以及沸水提取法。对于腺苷酸的测量，采用了酶促测定法，通过萤火虫荧光素 - 荧光素酶系统、丙酮酸激酶和磷酸烯醇式丙酮酸等，顺序测定 ATP、ADP 和 AMP 。此外，还使用了高效液相色谱（HPLC）技术，包括离子对反相 HPLC 等，来分析土壤中的腺苷酸和 AEC 值。

三、研究结果

1. 提取剂的比较：早期使用的酸性 TCA 提取剂，虽能灭活 ATP 酶，但会增加腺苷酸的吸附率，需添加百草枯防止这一过程，后来百草枯因获取困难被咪唑替代。酸性 PA 提取剂能释放更多微生物 ATP，但计算出的最终 ATP 含量较低。碱性 Na₃PO₄/DMSO/EDTA 提取剂能完全破坏微生物细胞，快速灭活 ATP 降解酶，从多种土壤中提取 95% 以上添加的腺苷酸，且标准添加物回收率高。近期，沸水提取法也被用于提取腺苷酸，该方法能快速使 ATP 酶失活，且对检测 ATP 的酶促荧光素 - 荧光素酶反应干扰最小。
2. AEC 值及相关比率：土壤中的 AEC 值很大程度上取决于 ATP 与总腺苷酸的比率。在有氧土壤且含水量为 50% 田间持水量（WHC）时，该比率稳定。不过，AEC 值在反映土壤微生物对可用能量的响应方面，多次失败。休眠土壤微生物的 AEC 值在 50% WHC 时约为 0.79 ，与代谢活跃的细菌培养物 AEC 值（0.70 - 0.95）范围重合。不同土壤类型在不同水分条件下 AEC 值差异明显，如干旱的粘壤土 AEC 值为 0.65 ，有机粘土和砂质粘壤土分别为 0.80 和 0.70 ，风干土壤样本 AEC 值低，重新湿润后迅速增加，涝渍时 AEC 值下降，通气后又快速上升，但这些过程中 ATP 水解和合成的能量通量仍未知。
3. AEC 的研究展望：目前获取的 AEC 值大多来自温带欧洲调节至 50% WHC 的土壤，不同气候条件下的土壤 AEC 值可能不同。结合 AEC 值与测序、宏基因组、元转录组等技术，有助于深入了解微生物群落变化。此外，腺苷酸与微量热法结合，可研究微生物生长过程的能量利用效率，ATP 与多磷酸盐的联系也有待进一步研究。AEC 值还有助于探究微生物死亡过程，这对理解土壤微生物学机制至关重要。

四、研究结论与讨论

新的提取剂、改进的酶促测试和色谱系统为测量土壤腺苷酸和 AEC 带来了新的契机。AEC 作为一个有用的工具，能够帮助研究人员探究土壤微生物生物化学中重要且尚未解决的问题，比如微生物对土壤水分变化的能量代谢响应、微生物死亡过程等。通过测量 AEC 比率以及腺苷酸的浓度、磷酸化速率和周转率，结合代谢状态测量，能为大规模调查和实验提供有价值的数据，揭示微生物在生物地球化学循环中的功能，尤其是在土地利用管理和气候变化背景下。此外，将 AEC 与分子技术和氨基糖测定相结合，可能会深入了解土壤微生物群落的死亡过程，为解决土壤微生物学中微生物死亡机制这一重大挑战提供帮助。总之，对土壤 AEC 的研究具有重要的理论和实践意义，有望为土壤生态系统的保护和利用提供新的思路和方法。