土壤酶活性的讨论（EnvironSciTechnol:）

土壤是地球上最大和最有活力的碳（Carbon, C）库之一，以有机物的形式储存的C是大气和生物圈总和的三倍多。土壤有机质的氧化分解决定了土壤中碳的比例，这些碳要么被储存起来，要么以CO2形式被排放到大气中。因此，未来对土壤碳-气候反馈的预测取决于对控制分解的机制，以及它们如何响应气候变化的准确理解。

在分解过程中，较大的大分子（如木质素）氧化解聚成较小的可溶性化合物，被微生物同化和呼吸，这一过程通常是限速步骤。这个过程被认为需要氧气以及催化氧化反应的细胞外酶。因此，用于预测气候变化影响的土壤碳循环模型越来越多地纳入细胞外酶的生产和活性的测量。

然而，越来越清楚的是，单纯的酶促反应不能解释在土壤中观察到的氧化活性，这引发了关于氧化分解在模型中的表征的问题。最近的一些研究表明，大量的氧化分解和二氧化碳的产生是来源于非酶或非生物反应(!)。一个可能的解释是活性金属中间体的存在，如锰(Mn)和铁(Fe)，它们介导分子氧对大分子的氧化，并已被证明在农田、森林、泥炭地和湿地等不同的土壤系统中增强氧化分解。

在整个生命树中，土壤微生物和真菌特别采用几种解聚策略，在耦合的生物-非生物反应中利用活性Mn或Fe中间体。

微生物可以产生胞外酶，氧化Mn(II)形成可溶的和活性的Mn(III)中间体。例如，担子菌真菌，如“白腐菌”，产生氧化酶、过氧化物酶或木质素酶，这些酶与可溶Mn(III)-配体复合物的产生有关，被认为是芳香和酚结构的强氧化剂。此外，已知几种真菌和细菌群可以非酶氧化Mn(II)。

相比之下，腐菌“褐腐菌”或外生菌根等真菌类群采用非酶解聚策略，而是利用Fe(II)。这些生物将Fe(III)还原为Fe(II)并释放过氧化氢(H2O2)以刺激Fenton化学反应，产生可溶性活性氧(例如羟基自由基或超氧化物)以非特异性氧化大分子。

需要注意的是，氧化还原活性土壤中活性氧不仅如上文所述是生物产生的，而且是非生物产生的。非生物Fe(II)被O2氧化可产生H2O2，后续H2O2与Fe(II)发生Fenton反应产生活性氧。因此，Mn和Fe介导的解聚策略都产生了足够小和强大的可溶氧化剂，能够穿透、氧化和解聚完整的大分子结构。

本研究旨在量化Mn和Fe介导的氧化分解在森林土壤中的相对贡献。在大多数土壤中，Fe的含量是Mn的10倍以上。植物对Mn的吸收主要集中在叶片组织中，随后在林地凋落物层中积累。因此，Mn的浓度往往在有机表面层中表现出最大值，在那里Mn的浓度等于甚至超过Fe的浓度。因此，研究假设在凋落物层中，Mn介导的氧化分解机制占主导地位，而Fe介导的机制控制着底层矿物土壤中的氧化分解。

为了验证这一假设，研究利用温带落叶林土壤，来将氧化活性与金属形态的变化和其他土壤特征联系起来。研究人员沿着一个从高地-湿地的样带，对3个位置（干、过渡、湿）的土壤剖面进行了采样，这些剖面在氧化还原条件中表现出强烈的水分诱导梯度，因此也表现出Mn和Fe的丰度和价态的变化。

▲Table 1. 土样的基本理化性质

研究人员使用选择性提取和X射线吸收近边精细结构（X-ray absorption near-edge fine structure，XANES）光谱，对横断面上的反应性锰和铁相进行了表征。研究使用了L-DOPA评估氧化分解的潜力。L-DOPA检测通常在添加H2O2和不添加H2O2的情况下进行，这是为了区分不依赖H2O2的“氧化酶”和依赖H2O2的“过氧化物酶”的活性。因为已知H2O2可以抑制Mn(III)的形成，并增强Fe(II)介导的Fenton反应，研究进一步研究了L-DOPA检测在用活性金属相添加的土壤中Mn或Fe介导的氧化的潜在偏差。

本研究表明活性锰(Mn)和铁(Fe)中间体，而不是其他测量的土壤特征，最能预测温带森林土壤的氧化活性。

研究结合生物测定、光谱学和湿化学分析，发现表层凋落物的氧化活性与活性Mn(III)的丰度最显著相关。相比之下，底层矿物土壤中的氧化活性与活性铁(II/III)丰度的相关性最为显著。

▲图1. 高地-湿地样带土壤的活性性铁和锰相的浓度。A, 焦磷酸可提取锰(MnPP)；B, 盐酸可提取铁(Total FeHCl)，以及铁(II)和铁(III)浓度的比例。C, MnPP和总FeHCl的比率。

图2. 土壤氧化活性（以L-DOPA氧化速率反映）。

阳性对照表明，Mn(III)和Fe(II/III)在产生氧化活性方面具有同等的能力，但鉴于Fe(II/III)的重要性早已受到的广泛关注，这侧面反映了传统生物测定方法对Fe有系统性的偏向。

图3. 土壤氧化活性对活性Mn和Fe添加的响应。

研究表明，土壤中的氧化活动在很大程度上与活性Mn和Fe的丰富程度有关。因此，氧化分解不仅是酶活性的反映，也是活性Mn(III)和Fe(II)中间物的循环。研究结果表明，Mn(III)介导的途径驱动富含Mn的地表凋落物的氧化活动，而Fe(II)介导的反应则主导富含Fe的矿物土壤。这些发现表明，根据特定土壤环境中Mn和Fe的相对可用性，可以解释微生物利用不同的金属介导的氧化解聚途径。

图4. 活性锰(Mn)和铁(Fe)介导的土壤氧化分解机制图示。/来自论文的Graphical Abstract。

发现表明，微生物依赖于不同的氧化策略，这取决于特定土壤环境中Mn和Fe的相对可利用性。因此，在微生物的显式模型中准确模拟氧化活动的努力还将需要明确考虑金属中间体的分布、反应性和循环，以预测未来环境变化如何影响微生物对有机质的分解率。

最近的研究揭示，土壤中大量的氧化活动是通过非生物反应产生的，本研究支持这一发现。但需要注意的是，不能把Fe和Mn介导的氧化分解过程完全视为非生物过程。Fe(II)介导的有机物分解需要Fe(III)还原，以产生活性的Fe(II)，这通常是由细菌或真菌通过还原性酶或代谢物介导的。同样，Mn(II)氧化产生活性Mn(III)也被认为主要是由微生物介导的。虽然活性Fe和Mn似乎是氧化活动的主要驱动力，但结果也表明，在有机物分解过程中，生物的、酶驱动的和非生物的、金属介导的反应之间存在紧密的氧化还原耦合。未来使用分子方法的研究可能会进一步阐明微生物、其氧化酶和金属循环之间的紧密相互作用，促进土壤中的氧化分解。