mBio综述 | James M. Tiedje院士等：微生物与气候变化

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写在前面：美国微生物学会于2021年11月5日举办了一个座谈会，讨论气候变化、微生物和级联效应之间的演变关系。作者参加了座谈会。本文以座谈会上讨论的一些概念为基础，对填补知识空白所需的一些研究提供了扩展的观点和意见。
摘要：气候变化是人类面临的最严重挑战。微生物产生并消耗三种主要温室气体二氧化碳、甲烷和一氧化二氮，一些微生物会导致人类、动物和植物疾病，这些疾病可能会因气候变化而加剧。因此，需要进行微生物研究，以帮助改善升温轨迹，以及由高温、干旱和严重风暴造成的连锁反应。本文简要总结了三大生态系统中微生物对气候变化的响应：陆地、海洋和城市。作者还为减少微生物温室气体和减轻微生物致病性影响的新研究方向提供建议。这些措施包括对气候对微生物过程的影响、系统的相互依赖性和对人类干预的反应进行更多的控制研究，利用微生物及其碳氮转化获得有用的稳定产品，改进气候模型的微生物过程数据，并采取“一个健康”的方法研究微生物和气候变化。本观点文章涉及陆地、海洋和城市生态系统，由于能力有限，小编将陆地生态系统中气候变化与微生物的相互依赖动态的主要内容呈现如下，对海洋和城市生态系统内容感兴趣的可下载原文阅读。虽然土壤微生物通过控制土壤有机质（SOM）的周转在调节地球气候方面发挥着至关重要的作用（SOM是陆地生物圈中最大的有机碳库），但我们对气候变化如何影响土壤微生物以及它们如何调节地球气候的理解非常有限。基于表土的各种研究表明，气候变暖导致草原微生物群落的不同演替，加速微生物的时间尺度变化，降低微生物多样性，增加网络的复杂性和稳定性，刺激土壤呼吸和SOM分解，降低呼吸温度敏感性，对土壤碳储量没有影响。尽管有这些重要发现，但尚不清楚此类实验观察是否广泛适用于其他陆地生物群落，以及在更长的生态时间内是否适用。从理论和经验的角度来看，气候变化对土壤微生物的影响在不同的生态系统中会有很大的差异，这主要是因为陆地生态系统在气候、植物多样性和组成、土壤物理、化学、土壤微生物群落组成和结构以及进化历史等方面存在巨大的空间异质性。我们还假设，气候变化对土壤微生物的影响不会在更长的生态时间内呈线性增加或减少，因为自然环境下的生态系统是复杂的，它们的响应是非线性的，并且它们的动力学是随时间变化的。为了寻找微生物对气候变化反馈反应的一般模式，迫切需要在不同大陆的不同生态系统中进行以微生物为中心的多因素气候变化实验。这是因为控制实验是将气候变化因素的影响与混杂的环境变化分开的最有效方法，并使我们能够量化陆地生态系统对人为干扰的反应和反馈。虽然可以在不同的生态系统中进行许多人工气候变化实验，但它们都是在单一地点进行的，因此只代表了一组地点条件下的反应。此外，在这些地点的大多数都进行了非系统的土壤取样，因为此类试验通常以植物为中心，这限制了破坏性土壤取样。因此，关于微生物响应气候变化的时间动态的信息很少。这种以微生物为中心的实验将使我们能够研究不同土壤微生物（例如，细菌、古细菌、真菌、原生生物和病毒）和表土与底土中的微型动物对多种气候变化因素（例如，变暖、二氧化碳升高、干旱、降水增加、养分添加及其相互作用）的反应。这样的实验还可以让我们收集系统的时间序列土壤样本（例如，最初、每周、每月、季节性和每年）和相关的生态系统过程数据（例如，植物生产力、土壤呼吸、土壤碳动态和营养状况）。这些数据对于高级研究工具（如广义Lotka-Volterra建模、经验动态建模和深度学习）至关重要，可以预测它们的非线性动力学，理清潜在的群落组装机制，尤其是不同微生物、群组（如植物、土壤动物和微生物）之间的生物相互作用，以及它们对生态系统功能的重要性。为了降低实验成本，这种以微生物为中心的实验应该与现有的基础设施相结合，如大学研究站、国家生态观测网络（NEON）和长期生态研究（LTER），最后两个是美国大陆规模的互补生态研究点。此外，还应建立一个全球联盟，通过相同/一致的实验处理、采样方案和测量来协调研究工作。最后，利用来自世界各地具有代表性的生态系统和环境的关于微生物动力学和相关生态系统功能过程的可靠长期系统数据，可以获得关于微生物对气候变化的反馈响应的共识模式和可能的一般规则。这些信息可以整合到陆地生态系统模型和/或地球系统模型（ESMs）中，以将我们的理解从单个地点扩展到区域、大陆和全球。

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