土壤微生物碳利用效率 (Microbial Carbon Use Efficiency, mCUE) 是衡量土壤微生物将吸收的碳转化为自身生物量(生长)而非通过呼吸作用以 CO2CO2​ 形式释放的关键指标。它是连接土壤碳输入与碳输出的核心枢纽，直接决定了土壤有机碳的积累或流失。

　　主流测定方法

　　1. 18O−H2O18O−H2​O 示踪法(当前国际公认的金标准)

　　这是目前常用、适用性z广的方法，基于微生物合成 DNA 时需要从周围水中摄取氧原子的原理。

　　原理：

　　向土壤中加入富集 18O 的水 ( H218O )。

　　微生物在生长合成 DNA 时，会将 18O 掺入到新合成的 DNA 骨架中。

　　通过测定土壤微生物 DNA 中 18O 的富集度，计算出微生物生长速率。

　　同时测定土壤呼吸释放的 CO2 量。

　　操作步骤：

　　标记：向新鲜土样注入 H218OH218​O ，使土壤水达到一定的富集度(通常 20-60 atom%)。

　　培养：在恒温下培养一定时间(通常 1-24 小时，视温度而定)，期间收集释放的 CO2 (用碱液吸收或直接进质谱)。

　　提取：提取土壤总 DNA。

　　纯化与转化：纯化 DNA，将其水解为脱氧核糖核苷，或转化为特定的衍生物。

　　检测：使用 气相色谱 - 同位素比质谱联用仪 (GC-IRMS) 测定 DNA 衍生化产物中的 18O/16O 比值。

　　计算：根据富集度增量计算微生物生长率，结合呼吸量计算 mCUE。

　　优点：

　　不依赖底物类型，反映的是微生物对土壤原有有机质 + 添加底物的综合利用效率(原位测定)。

　　特异性强，只标记生长的微生物(死菌不合成 DNA)。

　　适用于各种土壤类型。

　　缺点：

　　仪器昂贵(需要 IRMS)。

　　DNA 提取和纯化过程复杂，易受土壤腐殖酸干扰。

　　假设所有微生物群体的生长速率一致(实际上不同类群可能有差异，但通常取加权平均)。

　　2. 13C 底物示踪法(针对特定底物效率)

　　主要用于研究微生物对特定外源添加碳源(如葡萄糖、秸秆、根系分泌物)的利用效率。

　　原理：

　　向土壤中添加 13C 标记的底物(如 U−13CU−13C -葡萄糖)。

　　追踪 13C 的去向：一部分变成 13CO2​ 释放(呼吸)，另一部分进入微生物生物量(PLFA 或 DNA 中的 13C )。

　　操作路径 A：PLFA-SIP (磷脂脂肪酸 - 稳定同位素探针)

　　添加 13C 底物培养。

　　提取土壤 PLFA(活体微生物标志物)。

　　通过 GC-IRMS 测定特定 PLFA 分子中的 13C 富集度，计算进入生物量的碳。

　　同步测定 13CO2​ 释放量。

　　操作路径 B：DNA-SIP (密度梯度离心)

　　添加 13C 底物培养。

　　提取 DNA，进行氯化铯 (CsCl) 密度梯度超速离心。

　　13C 标记的重 DNA 会沉降到更高密度层，分离后定量。

　　优点：

　　可以区分不同微生物类群(通过 PLFA 指纹或测序)对特定底物的利用效率。

　　适合研究根际效应、秸秆还田等具体过程。

　　缺点：

　　仅反映对添加底物的利用效率，不能完全代表对土壤本底有机碳的利用效率(激发效应可能干扰)。

　　PLFA-SIP 假设 PLFA 的碳含量恒定，存在一定误差。

　　DNA-SIP 操作极难，回收率低，成本高。

　　3. 动力学模型拟合法(无同位素，估算)

　　利用多次采样的生物量变化数据，通过数学模型反推。

　　方法：

　　连续监测土壤微生物生物量碳 (MBC) 和呼吸 ( CO2 ) 随时间的变化曲线。

　　使用动力学模型(如一阶衰减模型)拟合生长率和死亡率。

       来源：网络