科汇生环 | 非生命呼吸：土壤中的另一种“呼吸”

原文来源：Bouquet C, Kéraval B, Traikia M, et al., 2025. Nonliving respiration: Another breath in the soil? Science Advances, 11(46), eadw9065.
https://doi.org/10.1126/sciadv.adw9065.

科学背景

细胞呼吸作用一直被认为是生命体维持有序状态、对抗熵增的基础生化过程。在传统观点中，有机碳向CO₂的转化被视为严格的胞内代谢过程，涉及复杂的酶促反应级联、辅助因子（如 NAD⁺）的再生以及电子向最终受体O₂的定向传递。然而，这种稳定性解释在土壤复杂的异质环境中面临挑战。例如：在经过γ射线等高强度灭菌、微生物生命绝迹的土壤中，仍能观察到持续释放的CO₂。这种现象无法用残余微生物的活性来解释，且释放出的CO₂具有独特的同位素分馏特征（δ¹³C = -75.4 ± 2.8‰），与细胞来源的呼吸并不相符。

前人研究曾提出活性氧、金属催化或胞外脱羧酶可能导致这种现象，但这些机制难以解释观测到的复杂代谢序列和极长的时间持续性。胞外氧化代谢（EXOMETs）假说认为，土壤中的稳定酶与非生物催化剂（如黏土矿物）可能共同重构了类呼吸过程。理解这一现象的关键在于将胞外代谢过程与土壤物理化学基质的电子传递能力联系起来。

科学内涵

研究思路：为揭示非生物呼吸（EXOMETs）的机理、底物偏好及持久性，本研究采集法国泰克斯（Theix）样地的土壤，通过γ射线严格灭菌构建微宇宙实验。利用¹H NMR非靶向代谢组学追踪胞外分子的时序动态，结合¹³C标记底物追踪验证底物氧化的完整性。创新性地构建了基于土柱原理的无菌土壤燃料电池，直接测量底物驱动的电子向氧气传递产生的电流。最后，通过长达6.7年的连续监测与6种动力学模型拟合，评估不同类型催化剂的寿命，为探究跨越生物与非生物界限的土壤呼吸提供证据。

核心发现：（1）灭菌土壤具备由底物调控的、具有有序时序动态的类代谢反应链。如图1和图2所示，灭菌土壤（IS）的胞外代谢物多样性随时间显著增加（T1至T6），且PCA图显示其代谢指纹随时间呈有序轨迹分化，这与未灭菌土（LS）中因微生物分解导致的多样性下降趋势截然不同。此外，添加葡萄糖（G-IS）或柠檬酸盐（C-IS）后，土壤产生了截然不同的胞外代谢谱，甚至自发生成了三羧酸循环（TCA）的中间产物。这证明了灭菌土壤中存在能够处理不同碳基质的化学反应链，在胞外环境中形成了一种确定性的“类代谢”网络。

图1 非灭菌与灭菌土壤中全球胞外代谢组的丰富度与多样性，以及灭菌土壤（IS）微宇宙中特定谱分段的动态。（A）分子丰富度（B）分子多样性（C）热图（D）灭菌土壤（IS）中四个选定谱分段相对丰度的时间动态。

图2  土壤微宇宙中分子量<3 kDa的水提取胞外代谢组动态（基于¹H NMR分析）。（A）LS与IS胞外代谢组时间动态的主成分分析(PCA)（B）IS样本在T1至T6之间演变轨迹的PCA（C）IS组以及添加了¹³C-葡萄糖(G-IS)或¹³C-柠檬酸盐(C-IS)的灭菌土壤在T1和T6时刻代谢组动态的PCA。

（2）土壤颗粒介导电子传递，实现有机底物的完全氧化与能量转换。如图3和图4所示，实验证实灭菌土壤的CO₂释放始终伴随O₂消耗，且呼吸商（0.51-1.02）与细胞呼吸高度相似。电子流证据：无菌土壤燃料电池实验显示（图4），在添加丙酮酸钠底物后20分钟内，电路产生的电流和电压即出现大幅提升，峰值达35.3 ± 1.9μA。相比之下，NaCl和水对照组均未出现电流脉冲。这直接证实了土壤颗粒具备“电子穿梭”能力，能捕获有机物氧化的电子并跨越空间传递至最终受体O₂。这一发现填补了EXOMET假说中关于“胞外电子传递链”的理论空白。

图3 添加底物（¹³C-葡萄糖、¹³C-柠檬酸盐）或未添加底物（IS）的灭菌土壤微宇宙中CO₂的同位素特征、排放量及O₂消耗量。

图4 灭菌土壤燃料电池电活性测量揭示的电子转移能力与底物可用性之间的直接关系。（A）本研究开发的灭菌土壤燃料电池示意图（B）电流生成动力学曲线（C）电流初始增长过程（D）极化曲线（电压-电流关系）。

图5 在长达6年以上的培养期内，灭菌土壤在添加或未添加¹³C-葡萄糖条件下的CO₂持续排放。（A）长期实验（>6年）中的总CO₂排放速率（B）葡萄糖来源碳在CO₂排放中的百分比。

（3）长期活性由寿命极长的非酶催化剂（矿物）主导。如图5和图6所示，在超过6.7年（2442天）的超长培养期内，灭菌土壤依然保持稳定的CO₂释放。动力学分异：统计模型分析（AIC准则）显示，土壤中存在两类催化剂：一类是半衰期约71天的短寿命池（推测为吸附在矿物上的胞外酶）；另一类则是半衰期超过7年甚至完全稳定的长寿命池。由于已知任何酶在环境中的寿命都难以达到7年，研究推断这些极其持久的催化中心是活性矿物（如Fe/Mn氧化物、磁铁矿纳米颗粒）。这些矿物作为“纳米酶”，通过非均相氧化或氧化还原交互作用，驱动了土壤有机质的长效转化。

图6 对添加葡萄糖的灭菌土壤(S+G)日CO₂排放速率长期动态的动力学建模。（A）模型方程与拟合统计结果（B）归一化日CO₂排放速率的长期轨迹。

重要启示

启示1：深度思考、敢于挑战教条是解决大科学问题的重要思路。本研究没有直接从常规的环境因子切入，而是从“灭菌后残余呼吸”这一常被视为实验误差或“背景干扰”的现象出发，敢于挑战“呼吸必有生命”的生物学教条。通过引入燃料电池这一技术，将抽象的生化概念转化为具象的电流测量，证明了土壤基质本身就是一个巨大的“生物地球化学反应器”。这种从表象干扰中挖掘底层机制的研究范式，是突破常规研究的关键。

启示2：非生物呼吸是完善全球碳循环反馈模型的新变量。MAOM（矿物结合态有机质）的稳定性以往多被视为物理屏障的结果，但本文揭示了矿物同时具备催化氧化的“双刃剑”特性。由于EXOMETs（非生物呼吸）不依赖活细胞，因此其对热、旱、毒性等极端环境的响应规律与微生物截然不同。在预测全球气候变化下的土壤碳库变动时，如果忽略这种路径，模型可能会严重低估极端环境下土壤的碳排放潜力。因此，将非细胞代谢过程纳入大尺度气候反馈模型，对于预测地球系统碳中和路径具有重大战略意义。

——解读人：张鹏、张尧

——责任编辑：童曼