近日，水土保持与荒漠化整治全国重点实验室安韶山研究员团队在《中国科学：地球科学》期刊发表了题为“土壤微生物残体的形成与稳定机制：基于生物能量代谢视角”综述论文。水保全重室为论文第一完成单位，博士研究生陈浩宁为论文第一作者，安韶山研究员及中国科学院地球环境研究所杨阳研究员为共同通讯作者。
微生物残体是土壤有机碳（SOC）的重要来源，占SOC的10%–80%，而活体微生物生物量仅占5%不到。残体和活体微生物有机组分对SOC库贡献之间巨大的差异意味着快速周转的活跃微生物类群对调节SOC的积累和稳定至关重要。然而，微生物细胞内外碳循环利用、合成代谢过程中有机和无机化合物的还原、细胞生理和结构性维持等过程均需要大量能量参与（能量单向流动），但并不依赖或仅需较少的外源新碳介入（物质往复循环），使得能量可能是更稀缺的资源。自然土壤微生物群落内部多数类群通常受到能量的强烈制约而处于“饥饿”的休眠状态。因此，能量在细胞内关键生命过程间的权衡对于微生物生长及残体的形成和积累至关重要（图1）。
图1 碳和能量在微生物胞内各过程间的分配平衡：能量在细胞内单向流动的过程中，分配于生长、维持、胞内碳循环等活动的权衡在保证微生物生存和生物量合成上发挥着关键作用
本综述以微生物细胞能量代谢为切入点，解析了微生物介导SOC积累背后的深层逻辑：一方面，微生物通过分解代谢和合成代谢操控植物有机质的全部或部分降解及转化为微生物残体的过程，可能会增加SOC的能量密度并限制其变异范围，该过程预计受微生物在代谢、生理和群落水平上能量生产及能量分配策略调控，并与有机底物的性质及其他生态环境因子的综合作用紧密相关（图2）；另一方面，微生物残体可作为潜在的能量和营养源参与新一轮的“碳泵（MCP）”迭代，进而形成化学组成上更复杂的组分或与土壤矿物结合，这些过程可能会增加其降解的能量壁垒并降低生物能量有效性，从而增强SOC的热力学稳定特征（图3）。总之，从能量代谢角度解析微生物生物量形成和残体保留机制，有助于突破传统土壤碳循环研究模式，为土壤碳固存和全球变化研究提供新视角。
图2 能量驱动微生物残体形成
图3 能量驱动微生物残体的稳定：碳沿着植物残体、微生物-矿物联动碳泵和土壤流动与循环的过程中，能量逐步损失，其中微生物对植物残体的加工以及随后的矿物结合导致微生物残体的能量有效性不断降低，从而促进其在土壤中的积累
该研究得到中国科学院先导B项目（XDB1660301）、国家自然科学基金项目（42377241）、中国科学院国际伙伴计划未来伙伴网络专项、中国科学院特别交流计划和中国科学院青年创新促进会人才项目（2023430）资助。
原文链接：http://engine.scichina.com/doi/10.1360/SSTe-2025-0302
编辑：王容娜
终审：李小梅
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