واحد الإنتاجية التكميلية التقنيات التحليلية عالية الدقة لوصف خليط معقد من المواد العضوية الطبيعية

على الصعيد العالمي، تقدر الأراضي الرطبة لاحتواء Pg 529 من الكربون (C)، غالباً ما ج العضوية المدفونة في رواسب الخث¹. حاليا، هذه الأراضي الخثية العمل كبالوعة صافية ج، عزل تيراغرام ج 29 ص^-1 في أمريكا الشمالية وحدها¹. غير أن الاضطرابات البيئية مثل تجفيف والحرائق والجفاف ودرجات الحرارة الأكثر دفئا يمكن أن يعوض هذا الحوض ج بزيادة تحلل المادة العضوية أدى إلى زيادة الخسائر ج عبر غازات الدفيئة (ثاني أكسيد الكربون [CO₂] و ^1،إنتاج الميثان [CH₄])². تغير المناخ قد يسهم في فقدان ج إذا كانت درجات الحرارة الأكثر دفئا أو ظروف مجفف تحفز التحلل ج أسرع من الكائنات الحية الدقيقة. وبدلاً من ذلك، ارتفاع درجات الحرارة، والتركيزات الجوية CO₂ قد حفز الإنتاج الأولى لعزل أكثر CO₂ كالكربون العضوي (OC). وإلى أي مدى، وكيف سريع أن قائد هو متحللة ثم إلى CO₂ والفصل₄ يعتمد على التفاعلات المعقدة بين ركائز المانحة الإلكترون، وتوافر المتقبلين للإلكترون، والكائنات الحية الدقيقة التي تتوسط التحول. في كثير من الحالات، الآليات التي لا تتسم جيدا وهكذا استجابتها للاضطرابات البيئية ليست مقيدة جيدا ومازال من غير الواضح ما ستكون النتيجة الصافية لتغير المناخ على توازن الكربون في صياغة النظم الإيكولوجية.

الطبيعة المعقدة للمواد العضوية الطبيعية (حركيا) جعلت حتى تحديد المركبات العضوية الحالية في مخاليط حركيا تاريخيا صعباً. التطورات الأخيرة تحسنت إلى حد كبير قدرتنا على تميز المركبات صورة تقليدية، وإلى حد ما لا تزال تعتبر المعاندة الدبالية أو fulvic عدد كبير من المركبات^3،،من⁴⁵. ونفهم الآن أن العديد من هذه المركبات المتوفرة فعلا ميكروبيالي وقد تكون متحللة وإذا يقبلون إلكترون المحطة طرفية مناسب (الشاي) تتوفر^6،7. حساب الدولة الأسمى أكسدة الكربون (نوس) لمجمع يوفر مقياس للتنبؤ بإمكانية التحلل وإنتاج الطاقة من الشاي المطلوب. ومع ذلك، فإنه يتطلب وصف المستوى الجزيئي ل المواد العضوية⁷. يحسب نوس من الصيغة الجزيئية عن طريق المعادلة التالية⁷: نوس = − ((−z + 4(#C) + (#H) − 3(#N) − 2(#O) + 5(#P) − 2(#S))/(#C)) + 4، حيث z هو المسؤول عن صافي. نوس يرتبط مع دينامي حراري الدافعة قوة⁸، أسهل لتتحلل، بينما تتطلب مركبات مع انخفاض نوس الشاي حيوية متزايدة بغية خفض فيها مركبات مع نوس أعلى. المركبات مع نوسك أقل من 2 تتطلب بالطاقة عالية الغلة الشاي مثل س₂أو نترات Mn^الرابع، ولا يمكن أن يتحلل من الشائع حدوث انخفاض الطاقة الغلة الشاي مثل Fe^الثالث أو كبريتات⁷. وهذا هو أحد الاعتبارات هامة في ظروف وصول المشبعة بالمياه في الأراضي الرطبة حيث س₂ والأخرى طاقة عالية الغلة الشاي هي نادرة⁹ ومن ثم تدهور المركبات نوس أقل في ظل هذه الظروف [ثرمودنميكلي] محدودة. اضطراب البيئية يمكن أن تؤثر حالة النظام الإيكولوجي من خلال التغيرات الهيدرولوجية التي تؤثر على س₂ (يقبلون الإلكترون الأكثر نشاطا)، تغييرات في الركازات العضوية ومتقبلون إلكترون إتاحة دينامي حراري قبل الابتدائية الإنتاج، وإلى حد أقل بدرجة الحرارة. مثال هام على آثار درجة الحرارة في نظم الأراضي الرطبة يحدث فيما يتعلق بالمفاضلة التي تحدث بين هومواسيتوجينيسيس (أي، إنتاج خلات من CO₂ وح₂) و (الراكد هيدروجينوتروفيك أيإنتاج₄ CH من CO₂ وح₂). ويبدو عند درجات حرارة منخفضة قليلاً يفضل أن هومواسيتوجينيسيس، بينما درجات الحرارة الأكثر دفئا لصالح الإنتاج₄ CH¹⁰. قد يكون هذا تأثير الحرارة آثار هامة للاستجابة للنظم الإيكولوجية لتغير المناخ، كما CH₄ غاز الدفيئة أقوى بكثير من أول أكسيد الكربون₂¹¹ ، ومن ثم زيادة الإنتاج من الفصل₄ في حسابها من CO₂ في درجات حرارة قد تسهم في ردود فعل إيجابية مع احترار المناخ.

الأراضي الخثية تنتج كميات كبيرة على الصعيد العالمي من CO₂ والمسألة₄CHعبر الميكروبية التنفس⁶للعضوية تحدث بشكل طبيعي. نوسك ركائز الكربون العضوي يحدد نسبة CO₂النسبية: CH₄ المنتجة التي هي معلمة حرجة بسبب الإشعاعي العالي CH₄ مقارنة بأول أكسيد الكربون₂¹¹، بل أيضا لأن وحددت جهود النمذجة هذه النسبة كمعلمة حرجة لتقدير الجريان ج في الأراضي الخثية¹². نظراً لغياب متقبلون إلكترون المحطة الطرفية خلاف CO₂، يمكن إثبات رصيد إلكترون أن ركائز ج العضوية مع نوس > 0 سوف ينتج CO₂: CH₄ > 1، ج العضوية مع نوس = 0 ينتج CO₂ والفصل₄ بنسبة اكويمولار، وجيم العضوية مع نوس < 1 سوف ينتج CO₂: CH₄ < 1¹³. هو وساطة تحلل قائد في النظم الإيكولوجية الطبيعية من الكائنات المجهرية، حيث أنه حتى عندما تحلل مركب محددة من الممكن [ثرمودنميكلي]، هو كينيتيكالي محدودة بنشاط الإنزيمات الميكروبية، وفي ظل ظروف وصول القوة الدافعة الحرارية (أي، نوس)⁷. حتى الآن قد تم تحدي لتوصيف المواد العضوية تماما نظراً لتنوع المركبات الحالية يتطلب تقنيات مختلفة مكملة لتكييفها. التطورات الأخيرة قد قاموا بإغلاق الفجوة؛ باستخدام مجموعة من التقنيات التحليلية يمكننا تحليل طائفة واسعة من المركبات العضوية تقديم توصيف المستوى الجزيئي، وفي بعض الحالات التحديد الكمي، من نواتج الأيض الأولية الصغيرة مثل الجلوكوز تصل إلى 800 دا بولي-هيتيروسيكليس. سبق هذه الجزيئات الكبيرة المعقدة سوف تتسم ببساطة مثل اللجنين أو مثل التانين والمفترضة قد المعاندة. ومع ذلك، يسمح توصيف المستوى الجزيئي، حساب نوس حتى هذه الجزيئات الكبيرة المعقدة. ترتبط هذه القيم نوس خطيا بالقوة الدافعة الحرارية مما يسمح بإجراء تقييم لنوعية المواد العضوية المتاحة للتحلل، مما يكشف عن أن هذه الجزيئات المعقدة قد يكون في الواقع ميكروبيالي في كثير من الحالات التحلل حتى في ظل ظروف وصول التي تسود في الأراضي الرطبة.

حيث يسمح مقدمة من س₂ المواد العضوية ما يقرب من جميع القيم نوس ملاحظتها بطبيعة الحال تكون متحللة، هنا علينا أن نركز على التغييرات في المواد العضوية والبروتينات الميكروبية التي من المحتمل أن تكون برامج التشغيل الأساسية في الأراضي الرطبة (أي، نظم محدودة س₂). ومع ذلك، يمكن تطبيقها جميع التقنيات التي سوف نناقش للمواد العضوية من أي النظام الإيكولوجي. عادة، معظم القياسات استناداً الضوئية وتحليلات الأسفار وقد استخدمت لتقييم نوعية المواد العضوية^3،14. عند استخدام قياسات السائبة مثل هذه، ولكن التفاصيل الدقيقة يتم فقدان كما تصنف أعدادا كبيرة من الجزيئات معا تحت شروط عامة مثل هوميكس أو فولفيكس. تعاريف هذه الفئات ليست مقيدة جيدا، وقد تختلف في الواقع، يجعل من دراسة لدراسة مقارنات مستحيلة. علاوة على ذلك، معظم القياسات لا توفير الجزيئية التفاصيل اللازمة لحساب الديناميكا الحرارية تحكم النظام وذلك قاصرة عن تقييم نوعية المواد العضوية¹⁵حقاً.

التقنيات الفردية مثل فورييه تحويل أيون سيكلوترون الرنين الكتلي (فتيكر مللي ثانية)، مطيافية الرنين المغناطيسي النووي (الرنين المغناطيسي النووي) والفصل اللوني للغاز الكتلة قياس الطيف الكتلي (GC-MS)، والكتلي اللوني السائل (ش-MS) تفاصيل مثل هذا المستوى الجزيئي. في حين يقدم كل من هذه التقنيات حدوده، أنها تجلب أيضا قوتها الخاصة التي يمكن أن تكون الاستدانة في نهج متكامل لتحقيق التفاصيل الجزيئية الدقيقة اللازمة لقياس نوعية المواد العضوية بمعنى دينامي حراري دقيق . GC-MS مفيد لتحديد نواتج الأيض الصغيرة الحاسمة التي من المرجح أن يكون تأثير الدانية على CO₂ والفصل₄ الإنتاج (مثل، السكر، خلات، إلخ)؛ ومع ذلك، GC-MS يتطلب التحقق ضد معيار وبالتالي محدودة لمركبات معروفة بالفعل موجوداً في قاعدة منع تحديد هوية المركبات الرواية. وعلاوة على ذلك، GC-MS أسلوب شبه نوعية مما يتيح استنتاج حول التغييرات في تركيزات النسبية، ولكن لا توفر المعلومات تركيز الفعلية اللازمة لحساب الطاقات لجيب الحرة على سبيل المثال. أخيرا، تتطلب GC-MS derivatization الجزيئات قبل التحليل الذي يحد من القرار إلى مركبات أصغر من دا ~ 400 وتضيع كحول متقلبة خلال الخطوة التجفيف.

أحادي البعد (د 1) ¹ح الحالة السائلة الرنين المغناطيسي النووي يسمح توصيف كمية عالية من نواتج الأيض الصغيرة (بما في ذلك نواتج الأيض الأساسي صغيرة الوزن الجزيئي والتطاير مثل الكحول، خلات، الأسيتون، فورمات، بيروفات، سوكسيناتي، الأحماض الدهنية القصيرة، فضلا عن مجموعة من الكربوهيدرات المعروف غائبة أو المساس بها من الأساليب المستندة إلى MS) وتركيزاتها مفيدة بشكل خاص لحساب معلمات دينامي حراري. حتى الآن، مثل GC-MS، الرنين المغناطيسي النووي د 1 من الخلائط المعقدة يتطلب توحيد المقاييس بالنسبة لقاعدة بيانات ولذلك لا تسمح وحدة الكشف بسهولة عن رواية من المركبات التي من المحتمل أن تكون وفيرة في النظم الإيكولوجية الطبيعية والمتغيرة المعقدة. بالإضافة إلى ذلك، الرنين المغناطيسي النووي أقل حساسية من التقنيات المستندة إلى MS والتنميط المستقلب الكمية ولذلك يتحقق فقط أعلاه 1 ميكرومتر استخدام أنظمة الرنين المغناطيسي مزودة بتبريد الهليوم الباردة-تحقيقات. التقدير لا على نطاق واسع، بعض الرنين المغناطيسي الباردة-تحقيقات هي الملوحة ويسمح بتحليل خليط البيئية وجود تركيزات الملح ميليمولار عند استخدامها في أصغر قطر (القطر الخارجي < 3 مم) عينة أنابيب¹⁶. ومع ذلك، زيادة تعقيد الرنين المغناطيسي النووي أن كميات كبيرة من المعادن باراماجنيتيك والمعادن (مثلالحديد و Mn أعلاه و 1-3%)، التي يمكن أن تكون وفرة في التربة المرتفعة، يمكن توسيع ميزات الطيفية وتعقيد تفسير أطياف الرنين المغناطيسي النووي . استخدام استخراج المرحلة الصلبة (SPE) يمكن أن مساعدي في تفسير الرنين المغناطيسي النووي والمستندة إلى MS جميع أساليب الحد من الأملاح المعدنية وزيادة جودة الطيفية.

مرض التصلب العصبي المتعدد–فتيكر بالحقن المباشر أسلوب حساسة للغاية قادرة على اكتشاف عشرات الآلاف من نواتج الأيض من عينة واحدة، ولكن عدم التقاط والايضات الصغيرة الحاسمة مثل اسيتات، بيروفات، وسوكسيناتي ويصعب استخدام السكريات و الكربوهيدرات الأخرى¹⁷، كما أنه لا يقدم معلومات كمية. بيد خلافا للتقنيات الأخرى، فتيكر–مرض التصلب العصبي المتعدد يبرع في تحديد وتعيين الصيغة الجزيئية لمركبات جديدة ويحدد لذلك أكبر عدد من المركبات توفير المعلومات الجزيئية أكثر من أي من الأساليب الموصوفة الأخرى. وهذا مفيد، لأنه يمكن استخدام المعلومات الجزيئية التي قدمها فتيكر-MS (وغيرها من التقنيات) لحساب نوس الذي يتصل بالقوة الدافعة الحرارية تنظم احتمال بعض ردود الفعل⁸ ومعدلات معينة ⁷من شروط. وعلاوة على ذلك، باقتران فتيكر–مرض التصلب العصبي المتعدد مع تقنيات الفصل، مثل LC جنبا إلى جنب مع مرض التصلب العصبي المتعدد، جنبا إلى جنب كمية من المعلومات الهيكلية يمكن أن يتحقق، التعويض عن بعض من مساوئ هذا الأسلوب. LC-مرض التصلب العصبي المتعدد مفيدة لتحديد المركبات الشبيهة بالدهن ونواتج الأيض الأخرى ليست جيدة تتسم بأي من الطرق الأخرى. اقتران LC فتيكر–مرض التصلب العصبي المتعدد أو مرض التصلب العصبي المتعدد-LC مع جامع كسر وجمع كسور المجاهيل محددة من الفائدة لتوضيح الهيكلية بثنائي الأبعاد (2D) الحالة السائلة الرنين المغناطيسي النووي هو الوضع المثالي لتعريف وتحديد كمية المركبات غير معروف^{18 ،19}. ومع ذلك، هذا هو خطوة تستغرق وقتاً طويلاً جداً التي يمكن استخدامها عند الحاجة. اتخذت منفردة، كل من هذه التقنيات توفير لقطة مختلفة من المواد العضوية، وإدماجها، يمكننا تحقيق فهم أكثر اكتمالا من استخدام أي من التقنيات في عزلة.

بينما الاعتبارات الحرارية تعيين القيود في نهاية المطاف على ما التحولات المحتملة في نظام، بمراقبة أنشطتها إنزيم معدلات تفاعل الكائنات الحية الدقيقة وساطة تحلل المواد العضوية. وهكذا تماما فهم عناصر التحكم على تحلل المواد العضوية وإنتاج غاز (CO₂ والفصل₄) الاحتباس الحراري من الأراضي الرطبة في نهاية المطاف يتطلب نهجاً اوميكس متكاملة لوصف الأنشطة الانزيمية الميكروبية، وكذلك نواتج الأيض. في هذه المقالة، يصف لنا وسيلة لتحقيق تحليلاً شاملا من عينة واحدة استخدام نهج متسلسل أن النتائج في تحليل زوجي تماما. يوسع هذا النهج على المستقلب والبروتين، والدهون الاستخراج (مبليكس) البروتوكول الذي اقترن البروتيوميات مع GC-MS ومرض التصلب العصبي المتعدد-LC²⁰ لتحديد نواتج الأيض الصغيرة، والبروتينات، والدهون من خلال دمج المعلومات الكمية المستقلب عن طريق الرنين المغناطيسي وتحديد أكبر نواتج الأيض الثانوية عن طريق فتيكر-السيدة “قليلاً” مختلفة إلى مبليكس، نبدأ البروتوكول مع استخراج المياه ثم استخراج استخدام متسلسلة مع المذيبات غير القطبية في شكل متزايد. وتتم جميع عمليات الاستخراج على عينة واحدة الذي يحفظ عينة عندما تكون كميات محدودة أو يصعب الحصول عليها ويقلل من خطأ تجريبي أدخلت من خلال التباين بين مختبرين من عينة غير متجانسة مصفوفات (مثلاً، والتربة، وحجر) أو الاختلافات في ظروف التخزين والمدة.

أخيرا، باقتران التحليلات أوم مع التحليلات البروتيوميات المجتمع الميكروبية، يمكننا أن نبني شبكات الأيضية التي تصف بمسارات والتحول من تحلل المادة العضوية. وهذا يسمح لنا لاختبار فرضيات محددة حول كيف ستؤثر اضطرابات للنظام في نهاية المطاف CO₂ والفصل₄ الإنتاج عن طريق تغيير في الركازات العضوية المتاحة ومتقبلون الإلكترون، والمجتمعات الميكروبية تلعب دور الوسيط في ردود فعل عن طريق نشاط إنزيم عوامل حفازة.

والهدف العام لهذا الأسلوب توفير بروتوكول إنتاجية واحدة لتحليل نواتج الأيض والدهون والبروتينات الميكروبية من عينة واحدة وبالتالي إنشاء مجموعة بيانات مقترن بالكامل لبناء شبكات الأيضية بينما تحد من الأخطاء التحليلية .