升温对河流沉积物中微生物介导木质素分解的影响：洞察全球碳循环的关键

《Microbiome》：Increased temperature enhances microbial-mediated lignin decomposition in river sediment

为揭示温度如何影响河流沉积物中微生物介导的木质素分解，研究人员利用13C标记的木质素和香草醛进行稳定同位素探测（SIP）实验。结果发现升温增强了沉积物呼吸、木质素 / 香草醛分解及激发效应，确定了潜在分解微生物和分解途径。该研究对理解全球碳循环意义重大。

　　在地球的生态系统中，河流就像一个个巨大的 “碳仓库”，储存着大量的有机碳。而木质素，作为陆地生态系统中最丰富的难降解有机碳，在河流碳循环里扮演着重要角色。当它进入河流后，一部分会在沉积物中积累，成为稳定的碳储存库。然而，近年来全球气候变暖，河水温度不断上升，这给河流中的碳库带来了新的挑战。科学家们发现，与易分解的化学碳相比，难降解的碳对温度变化更为敏感。那么，随着全球变暖加剧，河流沉积物中难降解的木质素会发生什么变化呢？它的分解过程会受到怎样的影响？这些问题直接关系到我们对全球碳循环的理解，也影响着我们应对气候变化的策略，可目前这些问题还没有明确答案。

为了揭开这些谜团，中山大学等研究机构的研究人员开展了一项深入的研究。他们的研究成果发表在《Microbiome》杂志上。这项研究意义非凡，它不仅帮助我们了解河流碳库与气候之间的反馈机制，还为全球碳循环研究提供了关键信息。

研究人员运用了多种技术方法来开展这项研究。稳定同位素探测（SIP）实验，通过使用13C标记的木质素和香草醛，追踪木质素在不同温度下的分解过程；16S rRNA 基因扩增子测序，分析微生物群落结构；宏基因组学和宏转录组学，研究微生物的基因功能和表达变化 。

研究结果如下：

1. 升温增强沉积物呼吸、木质素 / 香草醛分解及激发效应：研究人员设置了 23℃、26℃和 29℃三种温度条件，进行 SIP 实验。结果显示，随着温度升高，不同处理组最后一天积累的总CO2?产生速率显著增加，13C标记的木质素 / 香草醛衍生的累积13CO2?也显著增加，且来自13C标记木质素的CO2?比例呈上升趋势。此外，添加木质素或香草醛会产生强烈的激发效应，升温可显著增强这种效应。
2. 升温影响木质素 / 香草醛分解微生物的丰度和活性：通过 SIP 实验，研究人员发现13C标记的 DNA 峰值出现在浮力密度约 1.736 g/mL 处，且随着温度升高，13C标记微生物的总丰度显著增加。他们鉴定出潜在的木质素 / 香草醛分解微生物，包括 Burkholderiales、Pseudomonadales、Sphingomonadales 等。其中，Burkholderiales 和 Sphingomonadales 的丰度随温度升高显著增加，且它们的一些菌株编码参与木质素分解的关键酶，进一步证实了其分解能力。
3. 升温改变木质素分解途径：研究人员构建了木质素 / 香草醛分解的潜在途径，发现温度对这些途径中功能基因的表达和主要分解微生物的组成有显著影响。对于高分子量（HMW）木质素分解，β - 芳基醚片段等途径的活性随温度升高而增加，而联苯片段等途径的活性则降低。对于低分子量（LMW）香草醛分解，常见途径和 4,5 - PDOG 途径的活性显著增加，而 3,4 - PDOG 途径中部分基因的转录丰度显著降低。
4. 升温引起碳分解的广泛变化：除木质素分解外，研究人员还发现，升温会使其他碳分解基因的表达水平发生显著变化。例如，与淀粉（pulA）、半纤维素（xyla）等分解相关的基因转录丰度显著增加，而一些基因如内切葡聚糖酶的转录丰度则显著降低。这表明升温会影响多种有机碳的分解。

在研究结论和讨论部分，研究人员指出，升温显著影响微生物介导的木质素 / 香草醛分解。随着温度升高，微生物呼吸、木质素 / 香草醛分解和激发效应均增强，且木质素分解可能比其他有机碳对温度变化更敏感。研究首次全面报道了温度对河流沉积物中微生物介导木质素 / 香草醛分解的影响，表明全球变暖可能通过增加河流沉积物中微生物的活性，加速难降解有机碳的分解，从而对全球碳循环产生重要影响。此外，研究还为优化木质素的生物降解和转化过程提供了理论支持，在工业应用、造纸工艺优化和芳香污染物生物修复等方面具有潜在的应用价值。