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尽管生态学的基本理论指出，物理环境对生物体的生存至关重要，但现代科学家对微生物群落在土壤中形成的过程有了更深的认识。
一项新研究表明，土壤的pH值是微生物群落组成的关键因素，而氮循环中释放的毒性则最终决定了微生物群落的特征。
“自然环境影响微生物之间的相互作用，从而影响群落的结构，”共同主要作者、俄亥俄州立大学的微生物学助理教授卡纳·戈达(Karna Gowda)表示。“这个领域的研究者们意识到这两者的重要性，但缺乏足够的证据。我们正在为这一理论提供更多的细节和机制。”
Gowda指出，这项研究有助于揭示全球氮循环的微生物基础，并可能为理解氧化亚氮的排放提供新的视角，氧化亚氮是一种强效的温室气体。
这项研究最近发表在《自然微生物学》期刊上。
微生物通过循环养分来维持土壤的健康和生产力，尤其在将氮转化为植物可利用的形式方面发挥着重要作用。生活在同一环境中的地下生物相互联系，彼此捕食，参与化学交换并为社区提供利益。
在这项研究中，Gowda及其同事们利用来自全球的表层土壤样本数据集，对样本中的微生物基因组进行了测序，并分析了土壤的关键特征，如氮和碳含量以及pH值，后者是土壤酸度的一个重要指标。
Gowda表示：“我们希望观察这些普遍存在的趋势在不同环境中的表现。”
由于土壤样本中存在数十亿细菌，研究人员依赖微生物群落的基因组成来确定它们的功能角色。
研究小组专注于识别参与反硝化作用的细菌基因——将生物可利用的氮化合物转化为一氧化二氮并释放到大气中的二氮气体。生物信息学分析显示，土壤pH值是影响这些生物丰度的最重要环境因子。
为了验证这一统计发现，研究人员进行了实验室富集实验，在不同生长条件下观察天然微生物群落。
在反硝化过程中，特定酶在将硝酸盐转化为各种含氮化合物中发挥作用。其中一种形式，亚硝酸盐，在酸性土壤（低pH值）中比在中性条件下更具毒性。
实验结果表明，含有Nar酶的菌株与产生有毒亚硝酸盐相关，而含有Nap酶的菌株则与消耗亚硝酸盐相关，它们的酸度会随着土壤的酸度而变化。
Gowda表示：“我们发现，在低pH值下，Nar的丰度更高，而Nap的丰度较低，反之亦然，土壤pH值趋于中性。”他补充道：“我们观察到两种不同类型的生物在酸性和中性pH值下普遍存在，但这并不能完全解释发生了什么。环境不仅决定了生物的存在，还与社区中生物之间的相互作用密切相关。”
“这表明pH值以某种一致的方式影响群落中生物之间的相互作用——它总是与亚硝酸盐的毒性相关。”这突显了不同细菌如何在不同土壤pH值下共同繁衍。
Gowda认为，这一发现既新颖又重要。众所周知，细菌和其他微生物受到生存意志的驱动，但它们也依赖彼此以保持安全——研究表明，这种合作对环境健康有重要影响。
作者指出：“虽然在许多情况下，个体健康效应显然在定义模式方面发挥了作用，但在解释其他各种情况下的模式时，相互作用可能是必不可少的。”
了解相互作用和环境如何影响一氧化二氮的排放，可以为减少这种强效温室气体提供新的见解。Gowda表示，反硝化细菌是农业土壤中一氧化二氮的主要来源和汇。虽然过去的研究主要集中在这些一氧化二氮排放生物在不同pH条件下的行为，但考虑到它们的生态相互作用可能会提供降低排放的新策略。
这项工作得到了美国国家科学基金会、芝加哥大学、美国国家普通医学科学研究所、詹姆斯·S·麦克唐纳基金会博士后奖学金、房利美和约翰·赫兹奖学金的支持。
合著者包括芝加哥大学的Seppe Kuehn、Kyle Crocker、Kisseok Keith Lee、Milena Chakravert-Wuerthwein和Zeqian Li；圣路易斯华盛顿大学的米哈伊尔·吉洪诺夫(Mikhail Tikhonov)；以及西北大学的Madhav Mani。
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