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文献分享丨土壤氨基糖、木质素酚和磷脂脂肪酸碳同位素（δ13C）检测应用研究
2026-06-01

土壤有机碳主要由两部分组成，一是植物源碳，主要有凋落物、根系及根系分泌物；二是微生物源碳，主要包括残体及代谢产物。

氨基糖、木质素酚和磷脂脂肪酸碳同位素（δ13C）等生物标志物，因其能分别表征植物和微生物对土壤有机碳的相对贡献而备受关注。这些生物标志物不仅在不同类型生态系统中具有显著差异，还能反映土壤有机碳的来源和周转过程。因此，深入研究这些生物标志物在土壤中的分布和变化，对于揭示土壤有机碳的形成和转化机制具有重要意义。

文献案例1：气相色谱-同位素比值质谱法测定天然δ13C标记氨基糖的醛糖腈衍生物制备研究


文献分享丨土壤氨基糖、木质素酚和磷脂脂肪酸碳同位素（δ13C）检测应用研究

英文题目：Development of aldononitrile derivatives for the determination of natural and 13C-enriched amino sugars by gas chromatography-combustion-isotope ratio mass spectrometry

发表期刊：Journal of Chromatography A（IF:4.0）

发表时间：2025.08

样本类型：土壤

检测技术：采用醛肟腈衍生化-气相色谱--同位素比值质谱法（GC-IRMS）+基于信号高度拟合校正因子的方法

研究内容

氨基葡萄糖作为关键的微生物生物标志物，指示微生物残留对土壤成分的贡献程度。它们在追踪土壤有机物微生物加工方面的有效性，源于其在植物残渣中的稀有性、在微生物细胞壁中的普遍存在性，以及细胞死亡后卓越的稳定性。氨基糖稳定同位素探测（AS-SIP）技术的应用为研究土壤中氨基葡萄糖动力学提供了一种稳健的方法。本研究主张使用信号高度，即气相色谱-同位素比质谱（GC-IRMS）确定的，而非传统的浓度或注入体积等指标，以建立校正因子以确定δ13C氨基葡萄糖的C值。δ13C以气体为参考的C值被认为反映了氨基葡萄糖中大腈衍生物的“真实值”，即δ13C的C值通过元素分析-同位素比质谱（EA-IRMS）利用多点归一化预先校准。我们提出的方法旨在减少与δ13C相关的重大分析误差通过GC-IRMS检测氨基葡萄糖的醛糖腈衍生物时进行C校正，从而增强其在天然和13C-富集氨基葡萄糖分析。所得结果与EA-IRMS测量的结果高度一致。通过GC–IRMS对13C富集的葡糖胺标准品进行分析的醛基腈衍生物，在浓度高达1000‰时仍保持强线性关系（R²=0.9995）。在该组之间未观察到同位素传递效应δ13C值为13C含量和天然氨基葡萄糖标准低于500‰。所开发的测定氨基葡萄糖δ13C值的方法已成功应用于土壤样品的分析。


研究路线

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研究结果

通过EA-IRMS测定CO₂参考气的δ13C值，再将该气体用作 GC-IRMS的参考气。两种方法联用可显著降低分析误差、提升测量精度。采用GC-IRMS测定氨基葡萄糖的天然丰度标准品与13C富集标准品，所得结果与与EA-IRMS的测定结果高度吻合。最终，本方法被成功应用于测定土壤样品中氨基葡萄糖的δ13C值，证明其可用于识别与定量土壤有机质转化过程中的微生物残体生物标志物。

文献分享丨土壤氨基糖、木质素酚和磷脂脂肪酸碳同位素（δ13C）检测应用研究

图1.不同图表分别展示了氨基葡萄糖（GlcN）溶液中不同的13C富集水平：（A）500‰；（B）1000‰。黑色柱表示在测定13C富集样品之前，所测得的天然丰度氨基葡萄糖样品的δ13CDer值；灰色柱表示在测定13C富集样品之后立即测定的天然丰度氨基葡萄糖样品的δ13CDer值。图中数字表示在完成13C富集样品分析后，连续测定的天然丰度氨基葡萄糖样品的序号。误差棒代表标准差（S.D.，n=3）。***：P<0.001。

文献案例2：13C光合产物标记示踪证实：围封禁牧通过根际碳源的微生物残体提升土壤有机碳含量

文献分享丨土壤氨基糖、木质素酚和磷脂脂肪酸碳同位素（δ13C）检测应用研究

英文题目：Grazing exclusion increases soil organic C through microbial necromass of root-derived C as traced by 13C labelling photosynthate

发表期刊：Biology and Fertility of Soils（IF:5.6）

发表时间：2024.02

样本类型：土壤

检测技术：碱性氧化铜氧化法测定土壤木质素酚含量+田间原位13CO₂脉冲标记与同位素比值质谱仪


研究内容

草原具有巨大的碳储量，然而围封禁牧后土壤固碳的内在机制尚不明确。文章中揭示温带草原在长期（约40年）围封禁牧后，植物残体与微生物残体驱动土壤有机碳（SOC）固持的作用机制。田间原位13C-CO₂标记试验，追踪植物–土壤系统中的13C分布，并结合生物标志物法评估植物向土壤的碳输入。长期围封禁牧显著提升了植物与土壤各碳库储量，包括地上部、根系、微生物生物量及微生物残体碳。13C在这些库中的分配比例均有所上升，而通过土壤呼吸以CO₂形式损失的13C则有所减少。土壤与微生物生物量对13C的固持量随根系13C分配量的增加而上升。

40余年围封禁牧使土壤总有机碳含量提升提升至原来的2.9倍，净增加190%，这一增长主要源于真菌残体碳的增加，而木质素酚对土壤有机碳累积的贡献极小（占SOC累积量的0.8%）。综上，围封禁牧不仅提高了地上生物量，还促进了根系生长与根际沉积碳输入，进而推动微生物生物量与微生物残体的形成。在围封禁牧条件下，微生物残体与木质素酚均对土壤有机碳累积有所贡献，其中微生物残体（尤其是真菌残体）的贡献远大于木质素酚。


研究路线

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研究结果

与放牧草地（4.1±0.05g·kg⁻¹soil）相比，禁牧草地中的土壤总微生物残体含量高出三倍（12±0.42g·kg⁻¹soil）。在放牧草地和禁牧草地上，真菌残体碳均占总微生物残体碳的主要贡献比例（>80%）。值得注意的是，禁牧措施提高了真菌和细菌残体碳的含量，但对其比例影响甚微。

围封增加木质素酚，但其对SOC增量贡献较小，围封草地总木质素酚含量约为放牧草地的2.8倍。这说明围封增加了植物残体输入，尤其是根系和枯落物输入。

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图2.放牧与禁牧草地中木质素酚类物质及微生物残体碳的特征。（a）木质素酚含量；（b）微生物残体碳含量；（c）香草酸与香兰素的比例[（Ad:Al）V]、丁香酸与丁香醛的比例[（Ad:Al）S]，以及细菌残体碳与真菌残体碳的比值（B/F）。数据以均值±标准误（SE）表示。小写字母表示放牧与禁牧草地间差异达到p<0.05水平。（a）中总值：总木质素酚；V：香草基单体；S：丁香基单体；C：肉桂基单体；（b）中总值：总微生物残体碳；Fungal：真菌残体碳；Bacterial：细菌残体碳。

文献案例3：稻草在生物炭改良的水稻土中诱导有机质矿化的微生物机制

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英文题目：Microbial mechanisms of organic matter mineralization induced by straw in biochar-amended paddy soil

发表期刊：Biochar（IF:14.1）

发表时间：2024

样本类型：土壤

检测技术：氯仿-甲醇提取、硅胶柱分离纯化磷脂脂肪酸+同位素比值质谱仪测定PLFA的δ13C，再通过质量平衡法计算13C-PLFA含量


研究内容

在低肥力土壤的农田管理中，通常会同时施用秸秆及其衍生的生物炭。虽然秸秆还田能提高土壤有机质（SOM）含量，但也会促进SOM的矿化过程。对于这类土壤，活性微生物矿化SOM的具体机制及其影响因素仍不明确。为解决这些问题，研究人员向水稻土中添加了13C标记的秸秆，并分别添加或不添加生物炭（BC）或水铁矿（Fh），随后在淹水条件下培养70天。本文章通过对磷脂脂肪酸进行化合物特异性13C分析（13C-PLFAs），识别出了利用13C标记秸秆的活性微生物群落以及参与SOM矿化的特定菌群。与仅施用秸秆的对照组相比，施用“秸秆+BC”和“秸秆+Fh+BC”的土壤中累积SOM矿化率相对单施秸秆分别提高了61%和27%。总PLFA含量与秸秆及生物炭的施用量无关；然而，添加生物炭后113C-PLFAs含量增加了35%至82%，表明微生物周转速率加快。与未添加生物炭的土壤相比，添加生物炭的土壤微生物群落组成发生改变：13C标记的革兰氏阳性菌（13C-Gram+）和真菌数量增加，这两种微生物是矿化SOM的主要活性菌群。微生物的繁殖和生长受营养物质可利用性的影响：13C-Gram+和13C-真菌的数量随奥尔森磷（Olsen P）含量升高而增加，但随溶解性有机碳和硝酸盐（NO3-）含量升高而减少。总之，生物炭充当电子穿梭体，促进铁还原，并从土壤矿物中释放有机碳，从而增强SOM的矿化作用。革兰氏阳性菌和真菌参与了施用生物炭后秸秆的分解过程，并主导了SOM的矿化过程。


研究路线

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研究结果

与秸秆促进的SOM矿化强度取决于生物炭的应用量。秸秆为微生物生长和活动提供了充足的碳源，从而显著增强了SOM的矿化作用。生物炭可作为某些与养分获取相关的微生物群（如革兰氏阳性菌和真菌）生长的多孔栖息地。在富含铁的稻田土壤中，生物炭还充当电子载体，加速了铁的还原过程，并促进了有机碳（SOC）及营养物质从铁氧化物中释放。微生物活性随Olsen P含量增加而增强，但随着溶解有机碳（DOC）和NO3-含量升高而降低。微生物组成同样受生物炭施用的影响：在秸秆分解后期，真菌和革兰氏阳性菌主导着秸秆中难降解化合物的分解；而添加生物炭进一步增加了真菌和革兰氏阳性菌的数量，从而加速了SOM的矿化过程。

文献分享丨土壤氨基糖、木质素酚和磷脂脂肪酸碳同位素（δ13C）检测应用研究

图3：13C标记溶解性有机碳（13C-DOC）的动态变化（a），13C标记微生物生物量碳（13C-MBC）的含量及周转率（b、c），13CMBC在总微生物生物量中的占比（d），培养期间各微生物群落土壤中磷脂脂肪酸（PLFA）含量（e），以及70天培养期内各微生物群落13C标记磷脂脂肪酸（13C PLFA）含量（f），PLFAs定义为非特异性（通用）、革兰氏阳性菌（Gram+）、革兰氏阴性菌（Gram−）、放线菌（Act）和真菌。数据以均值±标准误表示（n=3）；星号（*）表示不同改良处理在同一时间点存在显著差异（*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001）；Na表示各采样时期处理间无显著差异；小写字母表示各采样时期不同改良处理间存在p<0.05水平的显著差异。
参考文献：

[1]Li Y, Liu Z, Yue X, et al. Development of aldononitrile derivatives for the determination of natural and 13c-enriched amino sugars by gas chromatography-combustion-isotope ratio mass spectrometry[J]. Journal of Chromatography A, 2025, 1757: 466158.

[2]Qu Q, Deng L, Gunina A, et al. Grazing exclusion increases soil organic C through microbial necromass of root-derived C as traced by 13C labelling photosynthate[J]. Biology and Fertility of Soils, 2024, 60(3): 407-420.

[3]Liu Q, Wu C, Wei L, et al. Microbial mechanisms of organic matter mineralization induced by straw in biochar-amended paddy soil[J]. Biochar, 2024, 6(1): 18.


具体检测介绍见下方链接

土壤氨基糖、木质素酚和磷脂脂肪酸碳同位素（δ13C）检测




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