尽管生态学的基本概念表明物理环境决定了生物体能够生存的地方，但现代科学家怀疑土壤中微生物群落的形成过程还有更多谜团。

在一项新的研究中，研究人员通过统计分析和实验确定，土壤pH值是微生物群落组成的驱动因素，但解决氮循环过程中释放的性的需要最终决定了最终的微生物群落。

“物理环境影响着微生物相互作用的性质，进而影响群落的聚集，”俄亥俄州立大学微生物学助理教授、论文共同第一作者卡纳·高达(KarnaGowda)说道。“该领域的人们明白，这两件事在某种程度上一定很重要，但并没有太多证据证明这一点。我们正在为这个想法添加一些特异性和机制。”

这项研究有助于阐明全球氮循环的微生物基础，并可能为思考强效温室气体一氧化二氮的排放提供一种新的方式，Gowda说。

该研究最近发表在《自然微生物学》杂志上。

微生物通过循环利用养分来保持土壤健康和生产力，对于将氮转化为植物可以利用的形式尤为重要。生活在同一环境中的地下生物也高度相互联系，相互捕食，参与化学交换，并为群落带来益处。

在这项研究中，Gowda和同事使用了从世界各地收集的表层土壤样本的数据集，对样本中存在的微生物基因组进行了测序，并分析了土壤的重要特征，例如氮和碳含量以及pH值(土壤酸度的衡量标准)。

高达说：“我们希望研究广泛存在的、会在全球不同环境中体现的趋势。”

土壤样本中存在数十亿种细菌，研究人员依靠微生物群落的基因组成来确定它们的功能作用。

研究小组集中研究了哪些基因，以确定哪些细菌参与了反硝化作用——将氮化合物从生物可利用的形式转化为一氧化二氮和氮气，并释放到大气中。生物信息学分析表明，土壤pH值是与这些生物的丰度相关的最重要的环境因素。

为了检验统计结果，研究人员进行了实验室富集实验，通过不同的生长条件运行天然微生物群落。

在反硝化过程中，特定的酶会将硝酸盐转化为各种含氮化合物。亚硝酸盐是这些化合物中的一种，它在酸性土壤(pH值较低)中的性比在pH值较高的中性条件下更大。

实验表明，含有Nar酶的菌株(与产生有亚硝酸盐有关)和含有Nap酶的菌株(与消耗亚硝酸盐有关)会根据土壤的酸度而波动。

“我们发现，在低pH值下，Nar较多，而Nap较少，土壤pH值趋向中性时则相反，”Gowda说道。“因此，我们发现酸性pH值和中性pH值下普遍存在两种不同类型的生物，但我们也发现，这实际上并不能解释发生了什么。不仅仅是环境决定了那里有哪些生物，实际上是环境加上群落中更多生物之间的相互作用。

“这意味着pH值以或多或少一致的方式影响着群落中生物之间的相互作用——它总是与亚硝酸盐的性有关。这凸显了不同的细菌如何在不同的土壤pH值下共同生长。”

戈达说，这一发现既新颖又重要。众所周知，细菌和其他微生物受生存意志的驱使，但它们也相互依赖以保持安全——研究表明，这种合作对环境健康有影响。

作者写道：“虽然个体适应度效应在多种情况下定义模式方面显然发挥了作用，但相互作用可能对于解释各种其他情况下的模式至关重要。”

了解相互作用和环境如何影响一氧化二氮的排放可以为减少这种强大的温室气体提供新的见解，Gowda说，“反硝化细菌是农业土壤中一氧化二氮的主要来源和汇。虽然过去的研究主要关注这些一氧化二氮排放生物在不同pH条件下的行为，但考虑它们的生态相互作用可能会为降低排放提供新的策略。”