Бескислородные микросайты в почве ⇐ Васина Википедия

[wiki_en]

== Бескислородные микросайты в почве ==

«Бескислородные микросайты» — это небольшие очаги истощения кислорода, которые образуются в хорошо аэрируемых горных почвах и отложениях. Они образуются, когда совокупное потребление кислорода микроорганизмами и корнями растений превышает скорость поступления кислорода из атмосферы через почвенные поры. Хотя эти зоны составляют лишь небольшую часть объема почвы, они оказывают большое влияние на хранение углерода, круговорот питательных веществ и выбросы парниковых газов.

=== Формирование и распространение ===
Кислород попадает в почву преимущественно путем диффузии через сообщающиеся поры, заполненные воздухом. Скорость диффузии зависит от текстуры, размера пор и непрерывности газовых путей, а потребность в кислороде отражает интенсивность микробного и корневого дыхания. Когда потребление кислорода локально превышает диффузию, образуются небольшие бескислородные карманы даже в почвах, которые кажутся хорошо аэрированными в полевых условиях.

==== Физическое управление ====
Лабораторные и полевые исследования показывают, как структура почвы определяет доступность кислорода. Мелкотекстурированные, богатые глиной почвы содержат более мелкие и менее связанные между собой поры, которые ограничивают движение газа по сравнению с крупнозернистыми песчаными почвами. Когда эти поры заполняются водой, диффузия кислорода резко замедляется — часто на несколько порядков, создавая условия, в которых аноксия развивается даже до полного насыщения.

В миллиметровом масштабе агрегаты почвы и поровые каналы создают крутые градиенты кислорода. Работа по визуализации с помощью планарных оптодов (тонких флуоресцентных сенсорных пленок, которые отображают двумерные карты концентрации кислорода при освещении) и рентгеновской томографии показали, что аноксия обычно развивается вблизи органических фрагментов или корней, где концентрируется дыхание. интерьеры,, но новые данные более тесно связывают их с пространственной структурой органического углерода. Таким образом, аноксия возникает в результате взаимодействия между ограниченным снабжением кислородом и локализованной потребностью в кислороде, а не только в структуре.

==== Биологические факторы ====
Микробное и корневое дыхание напрямую потребляют кислород, что приводит к местному истощению. Свежие органические вещества, такие как корневые экссудаты, подстилка или навоз, вызывают быстрый рост микробов, создавая горячие точки, в которых уровень кислорода падает в течение нескольких часов. В контролируемых экспериментах эти зоны формируются независимо от объемной аэрации, показывая, что микробная активность может подавлять диффузионное поступление. В зависимости от почвы и климата концентрация органического углерода остается лучшим показателем того, где встречаются микроучастки.

=== Обнаружение и измерение ===
Поскольку бескислородные микросайты небольшие, неоднородные и временные, их трудно наблюдать напрямую, и они часто требуют дополнительных подходов.

==== Прямые методы ====
Микросенсоры и плоские оптоды измеряют градиенты кислорода в субмиллиметровых масштабах. Микроэлектроды обнаруживают растворенный кислород или окислительно-восстановительный потенциал, , в то время как плоские оптоды создают двумерные карты срезов почвы. Эти инструменты выявляют резкие падения кислорода внутри агрегатов или вблизи корней, что подтверждает что окислительно-восстановительный потенциал почвы сильно варьируется на очень коротких расстояниях. Поскольку отбор проб осуществляется на ограниченных участках и может нарушить структуру при введении, прямые методы обычно сочетаются с химическими или молекулярными индикаторами.

==== Косвенные показатели ====
Восстановленные соединения, такие как Fe(II), Mn(II), растворенный метан или сульфид, действуют как химические признаки аноксии. Молекулярные подходы идентифицируют гены, связанные с анаэробным метаболизмом, например, mcrA, необходимый для образования метана, в качестве представителей бескислородного метаболизма. ниши. Поскольку эти генетические сигналы интегрируют условия с течением времени, они дополняют, но не заменяют измерение уровня кислорода в реальном времени.

=== Биогеохимическое значение ===

==== Хранение углерода в почве ====
Бескислородные микросайты замедляют распад органических веществ, поскольку анаэробное дыхание дает гораздо меньше энергии, чем аэробное дыхание. Это термодинамическое ограничение ограничивает окисление сложных молекул, таких как воски и липиды, что объясняет их устойчивость в мелкотекстурированных или периодически влажных почвах.

В больших наборах полевых данных обилие анаэробных микробов, используемое в качестве показателя распространенности микрорайонов, объясняет около 40 % изменений содержания органического углерода в почве, что делает аноксию ключевым механизмом защиты, чувствительным к управлению.

==== Динамика парниковых газов ====
В бескислородных микроучастках происходят окислительно-восстановительные реакции, которые производят и преобразуют парниковые газы. В умеренно восстановительных зонах денитрификация преобразует нитрат (NO₃⁻) в закись азота (N₂O) и газообразный азот (N₂), тогда как более сильно восстановительные среды поддерживают метаногенез и высвобождение метана (CH₄). Результат зависит от того, насколько быстро кислород возвращается в систему и от наличия альтернативных акцепторов электронов, таких как оксиды железа.

==== Круговорот питательных веществ ====
Зоны с низким содержанием кислорода изменяют трансформацию питательных веществ. Такие процессы, как диссимиляционное восстановление нитратов до аммония (ДНРА), удерживают азот в почве, а денитрификация удаляет его в виде газа. При восстановлении оксидов железа и марганца высвобождается адсорбированный фосфор, что изменяет как доступность питательных веществ, так и подвижность микроэлементов.

=== Ответ руководству ===
Обработка почвы обычно снижает образование бескислородных микроучастков за счет улучшения аэрации, хотя эффект исчезает по мере реформирования структуры почвы. Напротив, органические добавки обеспечивают лабильный углерод, который питает микробное дыхание и увеличивает потребность в кислороде, благоприятствуя аноксии во влажных условиях. Исследования, сравнивающие обрабатываемые и невозделываемые почвы, показывают постоянно более высокое содержание анаэробов в ненарушенных системах.

=== Последствия изменения климата ===
Углерод, хранящийся в анаэробных условиях, может быстро окисляться на воздухе. Переход от анаэробного к аэробному метаболизму увеличивает скорость разложения примерно в десять раз, что делает дренаж или обработку почвы основными причинами потери углерода. Изменение характера осадков также изменит динамику микрорайонов: засухи сокращают бескислородные области и ускоряют потерю углерода, в то время как длительное насыщение расширяет их и увеличивает количество метана и Выбросы N₂O.

=== Моделирование ===
Учет микроучастков в почвенных моделях остается сложной задачей. Традиционные модели земной системы предполагают однородное, полностью аэробное дыхание почвы, но новые модели вводят «диффузионно-ограниченные области», представляющие области, где поступление кислорода не успевает за потребностями микробов. Сочетание моделирования газотранспорта в масштабе пор с микробными реакционными сетями воспроизводит наблюдаемые наблюдения. градиенты кислорода и помогает связать микромасштабную окислительно-восстановительную динамику с круговоротом углерода в полевых условиях.

=== Направления исследований ===
Ключевые неопределенности включают глобальную протяженность бескислородных микрорайонов, их вклад в стабилизацию углерода и причинно-следственную связь между накоплением органических веществ и ограничением кислорода. Прогресс зависит от сочетания измерений кислорода, химического состава и микробной активности с высоким разрешением с долгосрочными полевыми наблюдениями за климатом и управлением. градиенты. Новые инструменты, такие как «рентгеновская химическая визуализация», «омика с пространственным разрешением» (крупномасштабный анализ ДНК, РНК и белков, выявляющий активные микробные пути) и «микросенсоры in situ», теперь позволяют исследователям наблюдать окислительно-восстановительные изменения в масштабе отдельных микробов. name="Noel2024"/>

== См. также ==
* Дыхание почвы
* Ризосфера
* Почвенный углерод
* Анаэробное дыхание
* Почвенный агрегат
* Биотурбация
* Редокс


Кейлувейт, М.; Ванзек, Т.; Клебер, М.; Нико, П.; Фендорф, С. (2017). «Анаэробные микросайты играют неучтенную роль в стабилизации углерода в почве». «Природные коммуникации». '''8''': 1771. doi:[https://doi.org/10.1038/s41467-017-01406-6 10.1038/s41467-017-01406-6].
Лакруа, Э.М. «и др.» (2023). «Рассмотрим бескислородный микроучасток: признание и оценка пространственно-временной окислительно-восстановительной неоднородности в почвах и отложениях». ''АСУ Земли и Космоса Химия''. '''7''' (8): 1592–1609. doi:[https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.3c00032 10.1021/acsearthspacechem.3c00032].
Лакруа, Э.М. «и др.» (2024). «Микробные показатели бескислородных микроучастков различаются в зависимости от управления и частично объясняют концентрацию углерода в почве». «Экологические науки и технологии». '''58''' (24): 10564–10574. doi:[https://doi.org/10.1021/acs.est.4c01882 10.1021/acs.est.4c01882].
Лакруа, Э.М. «и др.» (2022). «Вклад бескислородных микросайтов в защиту углерода в почве в зависимости от текстуры почвы». «Геодерма». '''425''': 116051. doi:[https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.116051 10.1016/j.geoderma.2022.116051].
Лакруа, Э.М. «и др.» (2025). «Концентрация углерода в почве приводит к появлению бескислородных микроучастков по горизонтам, текстуре и положению агрегатов на лугах Калифорнии». «Геодерма». '''454''': 117165. doi:[https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2025.117165 10.1016/j.geoderma.2025.117165].


* [https://news.stanford.edu/2017/11/23/ti ... n-climate/ Стэнфордское исследование анаэробных микросайтов]
* [https://jgi.doe.gov/our-science/science ... icrobiome/ Исследования Объединенного института генома Министерства энергетики США по микробиомам почвы]

Почвоведение
Биогеохимия
Биология почвы
Углеродный цикл
Анаэробные организмы

Подробнее: https://en.wikipedia.org/wiki/Anoxic_microsites_in_soil