研究人員報告說，評估濕潤土壤中微生物活動的新方法有助於更好地了解土壤的脆弱性。賓夕法尼亞州立大學領導的一個研究小組在最近的一項研究中利用一種新方法來檢測生物生物土壤結皮（或稱生物結皮）在潮濕後的微生物活動，該方法揭示了微生物在形成覆蓋全球許多半乾旱生態系統的”活皮膚”方面所起的關鍵作用。這些微小的生物以及它們創造的微生物群正受到氣候變化的威脅。

共焦掃描激光顯微鏡拍攝的生物簇截面圖。土壤顆粒呈現出深淺不一的灰色，而藍藻絲束（熒光紅色）則位於土壤顆粒之間。資料來源：賓夕法尼亞州立大學

研究人員最近在《微生物學前沿》（Frontiers of Microbiology）雜誌上發表了他們的研究成果。

研究小組負責人、賓夕法尼亞州立大學土壤與環境微生物學助理教授埃斯特爾-庫拉多（Estelle Couradeau）說：”生物簇目前覆蓋了地球陸地表面約12%的面積，由於氣候變化和土地使用的加劇，我們預計它們將在65年內減少約25%到40%。我們希望這項工作能為了解支持生物結殼抵禦快速變化的氣候模式和更頻繁乾旱的微生物功能鋪平道路。”

生物土壤板結是生物的集合體，在土壤中形成一個常年、組織良好的表層。它們分佈廣泛，遍布各大洲，只要缺水限制了普通植物的生長，讓光照進入裸露的土壤，它們就會出現。但仍有足夠的水支持微生物的生長，這些微生物提供寶貴的生態系統服務，如從空氣中吸收碳和氮並將其固定在土壤中、循環利用養分以及將土壤顆粒固定在一起，從而有助於防止塵土飛揚。

賓夕法尼亞州立大學研究生瑞安-特雷克斯勒（Ryan Trexler）從野外採集生物菌核，然後帶回實驗室進行研究。圖片來源：賓夕法尼亞州立大學

Couradeau 認為，這種土壤穩定功能非常重要，它能使土壤凝結成塊，不會分解成灰塵，從而減少水土流失。她的研究小組現在賓夕法尼亞州立大學農業科學學院工作，十年來一直在深入研究生物簇。

她說：”大多數灰塵都是在旱地產生的，而研究表明，旱地中生物簇的存在大大減少了原本會進入大氣層的灰塵量。我們認為，失去生物殼會導致全球塵埃排放量和沈積量增加5%到15%，這將影響氣候、環境和人類健康。”

在存在生物簇的半乾旱地區，生物–微小的苔蘚、地衣、綠藻、藍藻、其他細菌和真菌–可能一年只經歷幾次雨雪天氣，帶頭進行這項研究的生態學和生物地球化學跨學院研究生學位項目的博士候選人瑞安-特雷克斯勒解釋說。

他說：”土壤乾燥時，土壤中的微生物大多處於休眠狀態，不會做什麼。但是，一旦它們感知到水，就會在幾秒到幾分鐘內迅速復蘇。它們會積極製造葉綠素，固定碳和氮，直到土壤再次乾燥–然後微生物再次休眠。每次下雨，它們都會經歷活動週期。”

猶他州摩押附近科羅拉多高原的景色，秋季降雨後，土壤濕潤，足以激活微生物，因此在這裡採集了生物簇樣本。資料來源：賓夕法尼亞州立大學

為了研究生物簇，研究人員從猶他州摩押附近科羅拉多高原上三塊未受干擾、以藍藻為主的生物簇中採集了樣本。生物簇樣本是在秋季降雨後採集的，雨水充分濕潤了土壤，從而激活了微生物。樣本隨後被烘乾並保存在黑暗中，然後在研究後期重新浸濕。

特雷克斯勒說：”我們取樣的地方被稱為’寒冷沙漠’，因為那裡非常乾旱，但冬天有時會下雪。因此，那裡不像其他許多乾旱地區那樣炎熱，但植物仍然無法在那裡生長，因為沒有足夠的水。因此，我們在該地土壤中發現的唯一群落就是微生物。”

為了確定哪些微生物活躍在土壤群落中，研究人員將生物正交非規範氨基酸標記（稱為BONCAT）與熒光激活細胞分選相結合。BONCAT 是在群落和整個生物體內追踪單細胞蛋白質合成的強大工具，而熒光激活細胞分揀則根據細胞是否正在產生新蛋白質對其進行分揀。

研究人員將這些過程與霰彈槍元基因組測序結合起來，從而對生物簇樣本中所有生物的所有基因進行了全面採樣。他們利用這種方法，對生物簇群落中的活性和非活性微生物的多樣性和潛在功能能力進行了剖析。