土壤检测之微生物标识物-氨基糖

氨基糖是一种氨基将糖上的羟基取代所获得的有机化合物的总称，常作为生物有机体成分。它一般是在各自专性生物合成酶的作用下，在磷酸酯或糖核苷酸的阶段由氨或谷酰胺经氨基转移而形成的。氨基糖在细胞表面也发挥重要结构作用，其不仅是细菌细胞壁肽聚糖、真菌细胞壁几丁质和动物细胞的细胞外基质的关键组分，同时它也是蛋白质修饰包括N-糖基化、O-糖基化及GPI糖脂合成的原料。氨基糖代谢的不平衡对细胞生长有害，因此细胞必须协调胞外摄取的外源氨基糖、胞内氨基糖的重头合成，氨基糖作为营养的代谢途径以及用于蛋白质修饰细胞骨架合成之间的平衡。氨基糖不仅在细菌、真菌及动物细胞表面发挥重要的结构作用，同时也是蛋白质N-糖基化、O-糖基化及GPI糖合成的必需糖。

四种氨基糖的化学结构式

氨基糖主要指标：

土壤氨基糖的数量变化可以评估微生物残体在土壤有机质积累中的作用，基于土壤氨基糖的异源性可以区分不同微生物（主要是真菌和细菌）的相对贡献。土壤氨基糖的积累变化特征体现了土壤有机质循环的微生物调控机制。样品经过前处理后用液相色谱法检测四种氨基糖：氨基半乳糖、氨基葡萄糖、氨基甘露糖、胞壁酸。

1、氨基葡萄糖（Glucosamine，GlcN）

氨基葡萄糖在这四种氨基糖中的含量是最高的，GlcN 对土壤中氨基糖的贡献率在 47% 到 68% 之间，GlcN 通常存在于真菌和细菌当中，真菌的细胞壁是土壤中 GlcN 的主要来源，古细菌细胞壁和无脊椎动物外骨骼来源的氨基糖在土壤中可以是忽略不计的。GlcN 是真菌几丁质（Chitin）的唯一成分，GlcN 也可以在 N-乙酰化后产生的衍生物质与 N-乙酰胞壁酸以 β-1,4-糖苷键相聚合后形成肽聚糖。氨基葡萄糖（Glucosamine）是一种天然的氨基单糖，为人体关节软骨基质中合成蛋白聚糖所必需的物质，具有广泛的生物活性和应用价值。

2、氨基半乳糖（Galactosamine，GalN）

氨基半乳糖是土壤中第二常见的氨基糖，GalN对土壤中氨基糖的贡献率在 17% 到 42% 之间。GalN在以往被认为主要来源于细菌，但后续研究发现真菌的贡献也不可忽视。GalN 可能是土壤中胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substance，EPS）的重要组成部分，土壤中的胞外聚合物具有与粘蛋白相似的作用 (保护胞外酶的功能)，粘蛋白是一个高分子量、高度糖基化和乙二醇结合的蛋白质族，包含高浓度的 GalN，类似的粘液物质如胞外聚合物和荚膜多糖，以及附着在微生物细胞壁上的脂多糖，可能是土壤中 GalN 的主要来源。

生物功能

• 土壤微生物标识物：氨基半乳糖是微生物残体的主要生物标志物之一，可以用于研究微生物残体碳的来源

• 有机质转化：在土壤有机质的组成和转化过程中发挥重要作用，其数量和组成变化可以指示微生物在土壤有机质转化和积累过程中的作用

• 群落结构指示：通过测定土壤中氨基半乳糖的含量和组成，可以了解土壤微生物的群落结构和功能

3、甘露糖胺（Mannosamine，ManN）

土壤中甘露糖胺的含量较低，甘露糖胺对土壤中氨基糖的贡献率平均为 4% ，ManN 对单独某一种微生物群体无特异性，这是因为在细菌和真菌当中均有 ManN 的生成，以往的研究表明真菌的唾液酸中、细菌的磷壁酸以及革兰氏阳性菌的EPS中，都可以检测到 ManN 的存在。

生物功能

• 微生物标识物：甘露糖胺是表征土壤微生物残留物的重要生物标志物之一，其含量和组成变化可以反映土壤微生物的群落结构和功能状态。

• 有机质转化：在土壤有机质的转化和积累过程中，甘露糖胺作为微生物活动的产物之一，对有机质的稳定性和动态变化具有重要影响。

• 细胞识别和信号传递：甘露糖胺还参与细胞间的识别和信号传递过程，对微生物与土壤环境的相互作用起到调节作用。

4、胞壁酸（Muramic acid，MurN）

土壤中的胞壁酸唯一来源于细菌，是细菌中脂多糖和细胞壁中肽聚糖的组成成分，其会受相关酶的作用进而发生乙酰基化形成 N-乙酰胞壁酸 (N-acetyl muramic acid)，并且与 N-乙酰葡萄糖胺 (N-acetyl-glucosamine) 经 β-1,4-糖苷键连接成细菌细胞壁中的基本骨架。MurN 只存在于细菌细胞壁的膜层中，这种肽聚糖球囊是几乎所有细菌中独特和必需的结构，MurN 对土壤中氨基糖的贡献在 3% 到16% 之间，是土壤中细菌最具特异性的生物标志物，研究中可以用其指征微生物中细菌对土壤的贡献。

检测方法

土壤中氨基糖的检测方法多种多样，其中气相色谱法（GC）因其操作简便、耗时较少且准确性较高而被广泛应用。具体检测步骤包括：

1. 样品采集与处理：采集具有代表性的土壤样品，经过风干、研磨等预处理后，称取适量土样进行水解处理。水解过程中，土壤中的氨基糖会从微生物细胞壁中释放出来。

2. 水解与净化：将土样加入酸性水解液（如盐酸）中，在高温下（如105℃）进行水解，使氨基糖从土壤中释放出来。水解后，需要进行除酸、除盐等净化处理，以去除杂质对后续检测的影响。

3. 衍生化：将净化后的氨基糖与衍生化试剂（如盐酸羟胺和乙酸酐）反应，生成易于检测的衍生物。这一步是为了提高氨基糖在气相色谱中的检测灵敏度和选择性。

4. 气相色谱检测：将衍生化后的样品注入气相色谱仪中，通过色谱柱的分离和检测器的检测，可以得到各种氨基糖的色谱峰。根据色谱峰的保留时间和峰面积等信息，可以定性和定量地分析土壤中的氨基糖含量。

氨基糖的检测指标：