在最近的一项研究中，研究人员运用统计方法和实验方法揭示了土壤pH显著影响微生物群落的组成。然而，他们还发现，氮循环过程中释放的毒性物质的管理最终决定了这些群落的最终构成。
生态学中一个成立的观点认为，物理条件决定了生物的生存。然而，目前的科学家开始怀疑还有其他因素影响土壤中微生物群落的形成。
最近，一个研究团队通过统计方法和实验发现，土壤pH在塑造微生物群落组成方面发挥着至关重要的作用。尽管如此，处理氮循环过程中产生的毒性物质才是最终决定微生物群落的关键。
共同通讯作者卡尔纳·高达（Karna Gowda），俄亥俄州立大学的微生物学助理教授，表示：“物理环境影响微生物之间的相互作用，这反过来又影响了群落的组装。虽然该领域的专业人士理解这些要素的重要性，但缺乏具体证据。我们正在为这一概念提供更多的具体性和机制。”
根据高达的说法，这项研究增强了我们对全球氮循环微生物方面的理解，可能为一氧化二氮（强温室气体）排放提供新的视角。
这项研究的发现最近发表在《自然微生物学》上。
微生物在通过循环营养物质来维持土壤健康方面起着至关重要的作用，尤其是在将氮转化为植物可获取形式方面。这些地下生物相互联系，参与捕食、化学交换，并促成群落的福祉。
在这项研究中，高达和他的团队分析了全球土壤样本的数据集。他们对存在的微生物进行了基因组测序，并检查了包括氮和碳水平以及pH（表明土壤酸度）在内的关键土壤特征。
“我们的目标是确定普遍存在的趋势，并在不同环境中展现出全球性的表现，”高达解释道。
在单个土壤样本中发现了数十亿的细菌，研究人员利用微生物种群的遗传构成来确定它们的特定功能角色。
研究团队关注于能够指示出哪些细菌参与反硝化作用的基因，反硝化是将氮化合物从可用形式转化为一氧化二氮和氮气，然后释放到大气中的过程。生物信息学分析显示，土壤pH是与这些生物存在相关的最重要的环境因素。
为了验证统计结果，研究人员开展了实验室富集实验，模拟自然微生物群落的各种生长条件。
在反硝化过程中，特定的酶在将硝酸盐转化为不同的含氮化合物的过程中发挥关键作用。例如，亚硝酸盐是其中一种产物，在酸性土壤（低pH）中比中性土壤（高pH）更有害。
实验表明，含有被称为Nar的酶的菌株（与有毒亚硝酸盐的生成相关）和含有被称为Nap的酶的菌株（负责消耗亚硝酸盐）在土壤酸度根据水平差异有所变化。
“在较低的pH下，我们观察到Nar的增加和Nap的减少。相反，随着土壤pH接近中性水平，模式发生逆转，”高达指出。“这表明，在酸性或中性pH下，特定的生物群体蓬勃发展，但情况更为复杂。影响这些模式的不仅仅是环境条件，生物之间的相互作用也发挥着关键作用。”
“这表明，pH始终影响着群落内生物之间的相互作用，主要涉及亚硝酸盐的毒性。它强调了不同细菌如何共同合作，以在不同的土壤pH环境中繁荣。”
高达表示，这一发现既新颖又关键。尽管细菌和其他微生物通常受到生存本能的驱动，但它们相互依赖以获取安全性，突显出对环境健康的重大影响。
“虽然个体适应性显然会影响各种情境模式，但生物之间的相互作用在解释诸多其他情境中的模式时可能是至关重要的，”作者指出。
理解环境因素和相互作用如何影响一氧化二氮排放可能会导致减少这种强温室气体的创新策略，高达表示。反硝化细菌在农业土壤中是关键的氮氧化二气体贡献者。尽管早期研究集中于这些排放氮酸盐生物在不同pH环境中的行为，但检查它们的生态相互作用可能会揭示减少排放的新方法。
这项研究得到了国家科学基金会、芝加哥大学、国家医学科学总院、詹姆斯·S·麦克唐纳基金会博士后奖学金以及范妮和约翰·赫兹奖学金的资助。
本研究的共同作者包括芝加哥大学的塞佩·库恩、凯尔·克罗克、基锡克·基思·李、米莱娜·查克拉维尔提-沃尔特温和李泽乾；圣路易斯华盛顿大学的米哈伊尔·季霍诺夫；以及西北大学的马德哈夫·马尼。
