微生物在各种环境条件下有效利用能源的能力对全球气候和碳循环以及可解决全球变暖的生物技术应用产生影响。
“微生物生长的能量缩放”发表在美国国家科学院院刊上，为科学家检查微生物的这些代谢过程提供了一个新的数学模型。
首席研究员、德州农工大学 Bryan-College Station 农业与生命科学学院生物与农业工程系助理教授 Salvatore Calabrese 博士表示，这一发现是深入了解支配所有生命系统的能量原则。
预测气候变化中的微生物生长
依靠广泛的实验室数据，来自瑞典斯德哥尔摩大学和加拿大滑铁卢大学的 Calabrese 及其同事专注于桥接生物化学和热力学，以计算代谢活动，例如生长所需的能量，最终计算微生物的热力学效率。使用统计技术，他们发现了如何根据实验室中常用的已建立的微生物参数来预测能源效率，例如微生物的生长速度。
“我们知道我们可以将微生物视为微型热力学机器，”他说。“通过对它们的能量学的详细分析，我们发现了它们的效率是如何可预测的。这种可预测性和这种数学公式将使其他科学家能够了解微生物如何对不断变化的环境条件做出反应。”
这一发现开启了我们对这些重要生物如何在不断变化的环境条件下生长的理解，不仅对于预测气候和土地利用变化对土壤和生态系统的影响至关重要，而且对于预测土壤如何通过固碳帮助缓解全球暖化。
“土壤微生物是将有机物质转化为可以稳定并储存在土壤中的形式的基础，”该研究的合著者、瑞典斯德哥尔摩斯德哥尔摩大学副教授 Stefano Manzoni 博士说。“更高效的微生物可以帮助在土壤中储存更多的碳——这就是为什么我们的结果对气候变化研究很重要，”
从工程学到微生物学
Calabrese 很高兴地发现他可以应用他的工程知识将微生物中的这些反应与可量化和可预测的结果联系起来。
他说，微生物热力学类似于汽车发动机的工作原理。汽车发动机燃烧燃料以产生能量，而土壤中的微生物以有机碳为食以产生能量。
正如可以预测，一辆以 70 英里/小时的速度行驶的汽车会因风阻等因素而降低效率，并且在相同距离内比以 55 英里/小时行驶时燃烧更多的燃料一样，卡拉布雷斯的团队找到了一种方法来预测微生物如何随着代谢率的增加而失去效率。
经过近两年的深入研究，Calabrese 和合作者提出了一种简单的方法来持续估计微生物能量学。现在，Calabrese 和研究同事正致力于回答有关微生物对氮和有机物等因素的条件反应的问题。
卡拉布雷斯希望该出版物能够帮助全球的科学家。
“希望这将推动一般热力学理论中的科学发现扩展到所有形式的生物和最终生态系统，以及它们如何相互联系，”他说。“微生物是所有生命的基本基础，这一发现为这一探索提供了一个起点。”