Karmaşık doğal organik madde karışımları karakterize için tek işlem hacmi tamamlayıcı yüksek çözünürlüklü analitik teknikler

Genel olarak, sulak karbon (C), 529 Pg içerecek şekilde çoğunlukla organik C turba mevduat¹içinde gömülü olarak tahmin edilir. Şu anda, böyle peatlands Kuzey Amerika tek başına¹29 Tg C y^-1 iyon bir net C lavabo olarak hareket ederler. Ancak, boşaltma, yangınlar, kuraklık ve sıcak sıcaklıklar gibi çevre rahatsızlık artan C kayıp ile sera gazı içinde kaynaklanan organik madde ayrışma artırarak bu C lavabo ofset olabilir (karbon dioksit [CO₂] ve metan [CH₄]) üretim^1,2. Daha sıcak sıcaklık ya da kurutma makinesi koşulları daha hızlı C ayrışma mikroorganizmalar tarafından teşvik Eğer iklim değişikliği C kaybına. Alternatif olarak, daha yüksek sıcaklık ve hava CO₂ konsantrasyonu organik karbon (OC) daha fazla CO₂ çekilmek için birincil üretim teşvik edebilir. Ne ölçüde ve ne kadar hızlı o OC CO₂ ‘ ye sonra ayrıştırılır ve CH₄ elektron verici yüzeylerde, elektron alıcısı kullanılabilirliğini ve arabuluculuk mikroorganizmaların arasındaki karmaşık etkileşimler bağlıdır dönüştürme. Birçok durumda, mekanizmaları iyi karakterize değildir, böylece onların yanıt-e doğru çevre tedirginlikler iyi kısıtlı değildir ve net sonucu iklim değişikliği, karbon denge peatland ekosistemler üzerinde olacak belirsizdir.

Doğal organik madde (NOM) karmaşık doğası bile NOM karışımları tarihsel zor mevcut organik bileşikler tanımlama yaptı. Son gelişmeler bileşikler bu geleneksel olarak karakterize bir ölçüde inatçı hümik veya Fulvik bileşikler^3,4,5kabul edilebilir devam, bizim yetenek ve büyük ölçüde iyileştirilmiştir. Şimdi bu bileşiklerin çoğunun aslında microbially kullanılabilir ve uygun elektron alıcısı (çay) kullanılabilir^6,7yapılırsa, çürümüş anlıyoruz. Bir bileşik için karbon (NOSC) nominal oksidasyon durumunu hesaplama bir ölçüsü ayrışma ve gerekli çay enerji verim potansiyeli tahmin için sağlar. Ancak, organik madde⁷düzey Moleküler Karakterizasyonu gerektirir. NOSC moleküler formülü üzerinden aşağıdaki denklem⁷hesaplanır: NOSC = − ((−z + 4(#C) + (#H) − 3(#N) − 2(#O) + 5(#P) − 2(#S)) / (#C)) + 4, z net ücret nerede. NOSC neyin daha yüksek NOSC ile alt NOSC bileşikler azaltılması için giderek daha enerjik çaylar gerektirirken aşağılamak daha kolay bileşiklerdir termodinamik itici kuvvet⁸ile ilişkilidir. NOSC −2 daha az bileşikler O₂, nitrat veya Mn^IVgibi çaylar verimli bir yüksek enerji gerektiren ve sık meydana gelen tarafından bozulmuş olamaz düşük Fe^III gibi çaylar verimli enerji veya⁷sülfat. Bu su anoksik şartlarda nerede O₂ ve diğer yüksek enerji verimli çaylar kıt⁹ ve bu nedenle bu koşullar altında alt NOSC bileşikler bozulması sulak bulundu önemli bir noktadır thermodynamically sınırlı. Çevre pertürbasyon ekosistem O₂ (en enerjik elektron alıcısı), organik yüzeylerde ve elektron alıcısı kullanılabilir duruma değişiklikler etkisi hidrolojik değişiklikleri ile termodinamik durumunu etkileyebilir İlköğretim tarafından üretim ve sıcaklık tarafından daha küçük ölçüde. Homoacetogenesis (yani, asetat üretimi CO₂ ve H₂) ve hydrogenotrophic methanogenesis () arasında oluşan ticaret-off açısından sulak sistemlerindeki sıcaklık etkileri önemli bir örnek oluşur yani, CH₄ üretim CO₂ ve H₂). Düşük sıcaklıklarda bu sıcak sıcaklıkları CH₄ üretim¹⁰lehine iken o homoacetogenesis biraz, tercih edilir görünür. CH₄ CO₂¹¹ ve böylece artan üretim CH₄ pahasına daha çok daha güçlü bir sera gazı olduğu gibi bu sıcaklık etkisi önemli etkileri iklim, değişen ekosistemler için belgili tanımlık yanıt olabilir CO₂ sıcak sıcaklıklarda iklim ısınma ile olumlu bir geri bildirim için katkıda bulunabilir.

Peatlands CO₂ genel olarak önemli miktarlarda üretmek ve doğal organik oluşma CH₄⁶üzerinden mikrobiyal solunum önemli. Organik Karbon yüzeyler NOSC CO₂göreli oranı belirler: CH₄ üretilen CO₂¹¹‘ e, ama aynı zamanda çünkü karşılaştırıldığında CH₄ / daha yüksek ışınımsal zorlama nedeniyle kritik bir parametre olduğu modelleme çabaları bu oran peatlands¹²C akı tahmin etmek için kritik bir parametre olarak belirledik. Elektron alıcısı CO₂dışında olmaması durumunda, bu elektron denge tarafından organik C yüzeylerde NOSC > 0 will ile CO₂üretmek gösterilebilir: CH₄ > 1, NOSC ile organik C = 0 üretir CO₂ ve CH₄ ekimolar oranı ve NOSC ile organik C < 1 CO₂üretecek: CH₄ < 1¹³. OC ayrışma doğal ekosistemler, mikroorganizmalar tarafından aracılı böylece belirli bir bileşik bozulma thermodynamically mümkün olsa bile, bu kinetically ile mikrobiyal enzimlerin ve anoksik şartlarda aktivite ile sınırlıdır Termodinamik sürüş kuvvet (Örneğin, NOSC)⁷. Şimdiye kadar bu çeşitlilik mevcut bileşiklerin onların karakterizasyonu için farklı tamamlayıcı teknikleri gerektirdiğinden organik madde tam olarak karakterize etmek için zor oldu. Son gelişmeler boşluk kapalı; a maiyet-in analitik teknikler kullanarak organik bileşikler düzey Moleküler Karakterizasyonu sağlayan ve glikoz en fazla 800 Da poli-heterocycles gibi küçük birincil metabolitleri gelen bazı durumlarda miktar büyük bir dizi analiz edebilirsiniz. Daha önce böyle büyük karmaşık moleküller sadece kadar lignin gibi veya tanen benzeri ve inatçı olduğu kabul edilen karakterize. Düzey Moleküler Karakterizasyonu, ancak, hatta bu büyük karmaşık molekülleri NOSC hesaplanmasında sağlar. Bu NOSC değerler doğrusal olarak bırakmak için organik madde ki birçok durumda bu karmaşık moleküller aslında microbially olabilir ortaya koymaktadır ayrıştırma için mevcut kalitesini bir değerlendirmesini termodinamik itici güç ile ilişkili anoksik şartlarda bile sulak hakim parçalanabilir.

O₂ giriş çürümüş için neredeyse tüm değerlerin doğal olarak gözlenen NOSC organik madde sağlar beri burada organik madde ve sulak alan (Örneğin, birincil sürücüleri olması muhtemeldir mikrobiyal proteomik değişiklikler ele sınırlı O₂) sistemleri. Ancak, biz tartışacağız tüm teknikleri için organik madde herhangi bir ekosistem uygulanabilir. Yaygın, optik dayalı toplu ölçüleri ve floresan analizleri organik madde kalite^3,14değerlendirmek için kullanılmaktadır. Çok sayıda molekülleri birlikte humics veya fulvics gibi genel şartlar altında kategorize edilir gibi toplu ölçümleri bu gibi kullanırken, ancak, ince detayları kaybolur. Bu kategoriler tanımların iyi kısıtlı değildir ve aslında, çalışma çalışma yapma karşılaştırmalar imkansız değişiklik gösterebilir. Ayrıca, toplu ölçümler değil sistem yöneten termodinamik hesaplamak için gerekli moleküler ayrıntı sağlar ve bu nedenle gerçekten organik madde kalite¹⁵değerlendirirken kısa düşmek.

İyon cyclotron rezonans kütle spektrometresi (FTICR-MS), nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi bireysel teknikleri gibi Fourier dönüşümü, gaz kromatografi kütle spektrometresi (GC-MS) ve sıvı kromatografi kütle spektrometresi (LC-MS) yapmak Bu moleküler düzeyde ayrıntı sağlar. Bu tekniklerin herbirini kendi sınırlamaları sunuyor olsa da, onlar da ince moleküler detay titiz termodinamik duygusu kalitesinde organik madde miktarının için gerekli elde etmek için entegre bir yaklaşım içinde kaldıraçlı kendi güçlü getirmek . GC-MS CO₂ ve CH₄ üretim (Örneğin, glikoz, asetat, vb); proksimal etkisi olması muhtemeldir kritik küçük metabolitleri tanımlamak için yararlıdır Ancak, GC-MS karşı bir standart doğrulama gerektirir ve bu nedenle zaten bilinen bileşikler kimliği roman bileşiklerin önlenmesi veritabanında mevcut sınırlıdır. Ayrıca, GC-MS kesmesi değişikliklerle ilgili göreli konsantrasyonlarda izin ama gerçek konsantrasyon Gibb’ın serbest enerjileri örneğin hesaplamak için gerekli bilgileri sağlamak değil yarı nitel bir teknik olduğunu. Son olarak, GC-MS derivatization bileşikler ~ 400 Da küçük çözünürlüklü sınırlayan analiz önce moleküllerin gerektirir ve uçucu alkoller kurutma adımı sırasında kaybolur.

Tek boyutlu (1D) ¹H sıvı devlet NMR (birincil küçük molekül ağırlıklı metabolitleri ve tenler alkoller, asetat, aseton, format, pyruvate, süksinat, gibi gibi küçük metabolitleri son derece nicel karakterizasyonu sağlar kısa zincirli yağ asitleri gibi karbonhidrat Rootkitler yok ya da güvenliği aşılmış MS tabanlı yöntemleri bir dizi) ve onların konsantrasyonları termodinamik parametreler hesaplamak için özellikle yararlıdır. Henüz, GC-MS gibi karmaşık karışımlar 1D NMR standardizasyon göre bir veritabanı gerektirir ve bu nedenle yalnız kolay kimliği roman bileşiklerin karmaşık doğal ve değişen ekosistemler bol olması muhtemeldir izin vermez. Ayrıca, NMR MS tabanlı teknikleri daha az hassas olduğunu ve bu nedenle, nicel metaboliti profil oluşturma yukarıda sadece 1 µM helyum soğutmalı soğuk-probları ile donatılmış NMR sistemleri kullanılarak elde edilir. Yaygın olarak takdir, bazı NMR soğuk-sonda tuz dayanıklı ve çevre karışımı analizi daha küçük çapı (< 3 mm dış çap) örnek tüpler¹⁶içinde kullanıldığında millimolar tuz konsantrasyonları huzurunda izin. Ancak, bir başka komplikasyon NMR böyle paramagnetic metaller ve mineraller yüksek miktarda (Örneğin, Fe ve Mn upland topraklarda bol olabilir, 1-3 wt %), spektral özellikleri genişletmek ve karmaşık hale NMR spectra yorumlanması . Katı faz ayıklama (SPE) kullanarak yapabilirsiniz Yardımcısı NMR ve MS tabanlı metabolomics yorumlanması içinde mineral tuzları azaltılması ve spektral kalite artırma yöntemleri.

FTICR-MS direkt enjeksiyon tarafından son derece hassas teknik tek bir örnek üzerinden metabolitleri, on binlerce algılama yeteneğine sahip, ancak asetat, pyruvate ve süksinat gibi kritik küçük metabolitleri yakalamaz ve Rootkitler zor şeker ve diğer karbonhidratlar¹⁷için kullanın, ne de nicel bilgi sağlamamaktadır. Ancak, diğer teknikleri aksine FTICR-MS belirlenmesi ve moleküler formülü roman bileşikler için atama, üstünlük sağladı ve bu nedenle bileşikler açıklanan diğer tekniklerden herhangi birini daha fazla moleküler bilgi sağlayan en büyük numarasını tanımlar. Bu yararlıdır, çünkü moleküler bilgi FTICR-MS (ve diğer teknikleri) tarafından sağlanan bazı tepkiler⁸ ve onların oranları belirli olasılığını yöneten termodinamik itici güç ile ilgili NOSC hesaplamak için kullanılabilir koşullar⁷. Ayrıca, LC tandem MS, birlikte gibi ayırma teknikleri ile FTICR-MS kaplin nicel yapısal bilgiler, bu teknik dezavantajları mahsup elde edilebilir. LC-MS lipid benzeri bileşikler ve diğer yöntemlerden birini tarafından iyi karakterize olmayan diğer metabolitler belirlemek için kullanışlıdır. LC FTICR-MS veya LC-MS bir kesir toplayıcı ve iki boyutlu (2D) sıvı devlet NMR belirlenmesi ve bilinmeyen bileşikleri^{18 miktarının ideal bir durumdur tarafından kesirler yapısal aydınlatma için ilgi belirli bilinmeyen toplama ile kaplin ,19}. Ancak, Eğer ve ne zaman gerekli kullanılabilir çok zaman alan bir adım bu. Ayrı ayrı ele alındığında, bu tekniklerin herbirini organik madde başka bir anlık görüntüye sağlamak ve onları entegre ederek, biz yalıtım modunda tekniklerden herhangi birini kullanarak daha kapsamlı bir anlayış elde edebilirsiniz.

Termodinamik konuları ne dönüşümleri bir sistemde mümkün üzerinde nihai sınırlamalarını ayarlamak iken, organik madde ayrışma reaksiyonu oranları olan enzim faaliyetleri kontrol mikroorganizmalar tarafından aracılık ettiği. Böylece, tamamen organik madde ayrışma ve sonuçta sera gazı (CO₂ ve CH₄) üretiminden sulak alanlar üzerinde denetimleri anlama mikrobiyal enzim aktiviteleri karakterize bir entegre omics yaklaşım gerektirir yanı sıra metabolitleri. Bu makalede, biz öyle a etraflı çözümleme tam olarak eşleştirilmiş bir analiz sonuçları sıralı bir yaklaşım kullanarak tek bir örnek üzerinden ulaşmak için bir yöntem açıklanmaktadır. Bu yaklaşım metaboliti, protein ve hangi proteomik nicel metaboliti bilgi dahil ederek küçük metabolitleri, proteinler ve yağlar belirlemek için GC-MS ve LC-MS²⁰ ile birleştiğinde lipid ayıklama (karmaşık) protokolü üzerinde genişletir yolu ile NMR ve tanımlaması daha büyük sekonder metabolitler ile FTICR-Bayan biraz karmaşık için farklı, biz su çıkarma ve giderek polar çözücüler ile kullanım sıralı ayıklama kuralıyla başlar. Tüm çekimi hangi birimleri sınırlı veya zor elde etmek çalışırken örnek korur ve deneysel hata ile aliquots arasında varyasyon türdeş olmayan örnek matrisler (Örneğin, toprak ve turba) tanıttı azalır tek bir örnek yapılır veya saklama koşulları ve süresi farklılıkları.

Son olarak, OM analizleri mikrobiyal toplumun proteomik analizleri ile kaplin tarafından yolları ve dönüşüm organik madde çürüme tarif metabolik ağlar inşa edebilirsiniz. Bu tedirginlikler sistemine ultimate CO₂ ve CH₄ üretim yoluyla değişiklik mevcut organik yüzeylerde, elektron alıcısı ve mikrobiyal topluluklar nasıl etkiler hakkında belirli hipotezler test için bize izin verir reaksiyonlar ile enzim katalizörler etkinlik arabuluculuk.

Bu yöntem genel amacı metabolitleri, lipidler ve böylece analitik hatalar zorlayıcı süre metabolik ağ oluşturmak için tam olarak eşleştirilmiş bir veri kümesi oluşturma tek bir örnek üzerinden mikrobiyal protein analiz etmek için bir tek işlem hacmi protokol sağlamaktır .