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综述：酶活性作为土壤生物多样性的组成部分

Bruce A. Caldwell

摘要：土壤酶活性是土壤群落对代谢需求和可用养分的直接表达。虽然土壤微生物的多样性很重要，但土壤微生物群落通过扰动、压力或演替来维持这些关键土壤过程的功能多样性的能力，最终可能比分类多样性对生态系统的生产力和稳定性更重要。这篇综述审查了一些含有土壤酶数据的论文，它们可以用来区分酶源和底物的特异性，在主要的营养循环之间的范围内。开发评估土壤酶功能多样性的方法将增加我们对资源可用性、微生物群落结构和功能以及生态系统过程之间联系的理解。

关键字：多样性；土壤酶；营养周期；微生物群落

介绍

理解和维护生物多样性已经成为一个日益重要的研究领域，也是一个资源管理的目标。在土壤微生物群落中，维持关键功能可能最终比维持分类学多样性更重要。土壤中一个重要的微生物作用是处理和回收关键营养物质，从碎屑物的输入和积累的土壤有机质。这通常需要细胞外酶的活性，将复杂的有机化合物加工成同化的亚单位(糖，氨基酸，， )。土壤酶学的领域，包括许多方法和应用，已经被广泛的综述。

土壤酶活性与土壤理化性状有关，微生物群落结构，植被，扰动，以及继承。决议的范围从景观对土壤颗粒大小的分数。评估土壤质量的方程式包括各种酶的活动。土壤酶数据是概念模型发展的基础，它提供了更全面的理解微生物种群和营养动态的关键过程。虽然这些研究通常处理土壤酶活性的差异，但这些研究也有可能开发出功能多样性的具体措施。

不同于土壤微生物生物量的生理或遗传多样性评估土壤酶的潜力和功能多样性，与由此产生的实际活动有关。功能酶的多样性可以由多个相互作用的信息集决定，它们可以是独立的，也可以是交互式的。这些措施包括从主要的营养资源中对目标基质的活动进行测量，将不同的反应机制区别于特定的酶功能(如蛋白质水解)和酶源的可能测定。本文的目的是简要回顾以往土壤酶活性的应用，并提出可能的方法，以评估土壤酶的功能多样性和主要养分循环之间的差异。

底物特异性

底物特异性，作为一种独立的酶多样性测量方法，或者是用来解决在主要营养池(表1)之间或在主要营养池内攻击特定碎屑成分的酶活性。在每种营养物质中，都有特定的化学形式，它们是基于结构和结合的。碳的主要形式是多糖、芳香族(木质素)和脂肪族(聚亚甲基)。有机氮的大部分被认为是酰胺形式，无论是作为肽或非肽C-N键。大多数有机磷都是在单或二酯形式。

在每一个主要的营养群体中，有特定的化合物，主要的土壤酶是活跃的。分解垃圾的关键是各种细胞溶解活动，这些活动需要endo细胞酶、cellobiohydrolases和b-葡糖苷酶，以及需要多种多酚氧化酶和过氧化物酶的木质水解活动。在氮循环中，蛋白质和多肽的底物多样性可以基于不同氨基酸组的水解。从不同的非肽C-N键释放铵也可以测定各种不同的底物，包括经常测量的尿素酶活性。有机酯中磷酸盐的矿化可以分解为磷酸二酯酶和磷化酯酶活性，分别反映了组织基和土壤有机磷酸盐的使用。

反应机制

由于酶活性在特定的反应位点被催化，酶功能多样性的另一个组成部分可以基于使用特定的抑制剂或底物。

最常用的抑制剂是蛋白水解酶，可以区分四大类蛋白酶。虽然关于酶源的广泛概括可用于天冬氨酸(真菌)、硫醇(一般)、金属蛋白酶(细菌)和丝氨酸(一般)蛋白酶，将蛋白水解活性分离到这四个类中也代表了功能多样性本身的一个组成部分。在肽酶中也发现了不同的反应机制，在去除末端氨基酸的过程中，选择性的酶结合到肽的游离氨基或羧基末端。使用氨基肽酶测定土壤肽酶活性或羧肽酶底物，但不是在一个单独的研究中。

土壤酶活性来源

了解特定土壤酶活性的来源将极大地增强我们对哪些生物群体直接获取特定营养资源的理解，从而更深入地了解能量和营养流经土壤食物网的途径。

分子方法目前处于特定功能基因和土壤微生物生物量表达的阶段。Schulze等人利用质谱技术，确定了土壤蛋白质的类型和生物学来源，包括酶。虽然这些方法提供了关于酶的潜力和表达的有价值的信息，但更传统的方法也可以将特定的活动与更广泛的分类类别联系起来，即细菌和真菌。

表1 具体的土壤酶活性和测定可用于评估养分循环之间的功能多样性的例子

土壤磷酸酯酶，lipases和proteases。细菌来源的胞外酶一般都趋向于中性碱性的最佳，而真菌(和植物)的胞外酶有酸性的optima在pH优化前必须进行更广泛的测试，才能可靠地用于区分酶源。应该注意的是，这种方法仅限于某些酶(磷酸酶、蛋白酶)，因为许多来自细菌和真菌的多糖水解酶都有酸性的pH值。

假设细胞外的真核生物酶是糖基化的，Rhee等人估计真菌贡献了大约86%的土壤纤维素酶活性，这是根据提取的土壤酶的选择性结合到lectin concanavalin-A。虽然已知由细菌分泌的某些蛋白质是糖基化的，但这些是在细胞粘附到表面的不同作用的非酶蛋白。与pH优化一样，通过糖基化来区分酶源的广泛应用将需要更广泛的开发和测试，可能是用细菌和真菌的一般代谢抑制剂来改变种群结构的微生物学研究。

在蛋白水解酶中，选择性抑制剂已经被用来证明细菌可以成为土壤蛋白水解活动的主要来源。

土壤酶功能多样性的解释方法

土壤酶的功能多样性可以通过多种方式进行分析和解释，具体取决于具体的研究问题。营养资源的功能多样性可以基于对C(纤维素)、N(蛋白质)和P成分的特定酶活性。在一个营养组内的功能多样性可以通过测量纤维素酶或碳、蛋白酶和酰胺酶对氮或磷的酰化酶进行测定。通过聚焦于给定的酶活性，可以获得更大的群体功能多样性的解决方案，用抑制剂类分离的蛋白水解活性。

在最简单的水平上，土壤酶的多样性经常被评价为活动的差异。在主要的C-，N-和Processing酶之间的比率可以提供对变化的营养资源的微生物群落反应和不同营养的相对重要性的洞察。Caldwell等发现在不同的土壤和植被体系下，主要的C-和p处理酶之间的关系发生了变化。来自Garc a et al.的数据显示了12个西班牙土壤中主要营养加工酶之间的关系。磷酸酶对b-糖苷酶的比值从0.46到8.74，蛋白酶对b糖苷酶的比值从0.01到0.27不等，蛋白酶与磷酸酶的比值从0.01到0.15不等。夏威夷的4千万年土壤时间序列的数据可以进一步分析，显示主要土壤酶的比例变化。在现代300年的土壤中，有机质和矿质土层的磷酸酶与n -乙酰氨基葡萄糖酸酶比分别为2.06和2.85。在2万年前的土壤中，比率增加到11.4和18.6，与有机氮相比，有机磷对土壤发育的影响更大。能量和营养获取酶的比率与凋落物的质量损失有关。Sinsabaugh等人绘制了三种植物群落在p -获取到n -获取酶活性和纤维素酶活性之间的分布，以对不同的施肥水平表现出不同的反应。

有几项研究包括酶测定法，它可以用来表明在特定的营养循环中主要类型的资源之间的微生物处理的变化。在氮循环中，Garcia et al.的数据显示，尿素酶与蛋白酶比的变化从0.05到3.25，说明蛋白- n与尿素- n的相对重要性或可用性存在较大差异。在磷循环中，Sparling et al.的数据显示磷酸二酯酶对磷酯酶的比值从0.19到0.57，表明在20个新西兰草原土壤中被访问的有机磷酸池的主要差异。

多种土壤酶活性可以从数学上被浓缩成单个数字，如“木质纤维素酶”指数，它表达了一种基于实木质素和多糖降解酶的假设活性。

多变量技术也越来越多地用于将土壤酶活性与微生物群落结构和生理学联系起来。Waldrop et al.计算了主要土壤酶活性与土壤磷脂脂肪酸剖面(微生物群落结构)在不同夏威夷植被类型中的第一个主成分轴之间的相关性。Kourtev et al.研究了外来植物入侵导致土壤酶活性与微生物群落水平的变化关系。

还使用了各种可视化方法。通过时间绘制各种酶的活动可以改变多种酶活性的模式。卡莱罗等人利用三维数据来显示氮肥对分解速率和纤维素酶或酚氧化酶活性的差异影响。

一个特别有用的视觉展示是使用“星形射线”图，其中不同的酶活动沿着不同的辐射轴绘制。Sinsabaugh和他的同事们利用这类图来说明在三种树种下氮肥对主要的C、N和P转换的关键酶的差异效应。虽然视觉上直观，显示肥料刺激某些纤维素酶，同时抑制酚氧化酶和肽酶活性，但这些情节并不容易使自己得到严格的统计分析。

令人惊讶的是，传统的生物多样性措施并没有被广泛用于评价土壤酶的功能多样性。Tscherko et al.计算了Shannon多样性和eveness指数，以显示在消退后的冰川后，主要连续性时间序列中酶多样性的变化。这种方法可以很容易地应用于在“星形射线”图中表示的数据类型，将直观的直观模式转换为统计可测试的数字。尽管在计算这些指标时损失了信息，但与微生物或植物群落结构的相似指数进行直接比较是可能的，这就解决了土壤酶功能多样性与社区结构之间的紧密联系。

方法考虑

虽然许多土壤酶都有广泛的应用，应该考虑几个具体的考虑来优化这些方法。目前绝大多数的土壤酶都使用了大量的土壤，其中包括最近从活性土壤有机体中释放的酶，以响应营养压力和可用性，以及大量的酶，这些酶已经通过时间被稳定地转化为有机基质。将土壤酶活性的分数与残留的固定化活动紧密联系在一起，可以显著提高我们将微生物功能(表达酶活性)与微生物生理(养分胁迫)和资源可用性联系起来的能力。

广泛使用人造比色和荧光基体和多井平板阅读器技术允许快速、廉价地开发大型数据集。然而，酶功能多样性的某些方面可以通过使用更多的天然基质来改善。虽然人工b-葡糖苷酶常被用来估计纤维素酶的活性，但至少有两种不同的b葡聚糖在土壤中是常见的;b(1-4)凋落物中的

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