近日，5123导航、海洋与地球学院沈渊副教授以第一兼通讯作者身份在地学权威期刊Geophysical Research Letters上发表了题为“Important Contribution of Bacterial Carbon and Nitrogen to Sinking Particle Export”的研究论文。该研究首次量化了细菌有机质对深海沉降颗粒物通量的贡献，提出细菌介导多重碳转化过程的概念模型，并强调在全球变暖背景下，细菌对海洋碳输出和封存的重要性将日益凸显。
海洋表层的浮游植物通过光合作用将CO2转化为颗粒有机物（POM），POM的输出和再矿化构成了海洋生物泵的主要组成部分。在沉降过程中，POM不断被细菌降解和转化，其中一部分转化为细菌自身生物量。然而，先前研究表明，深海沉降的POM仍然主要由浮游生物的残余物组成。值得注意的是，早期尝试估算细菌对有机碳库贡献的工作主要集中在悬浮态POM，并且大部分是基于活体细菌细胞计数的方法。而海洋中绝大多数的有机质以非生命形式存在（例如碎屑），因此以往的研究可能低估了沉降POM中所携带的细菌有机质含量。
研究团队在北太平洋深海（1200 m）布放沉积物捕获器，收集了长达6年的沉降颗粒物样品。通过D-氨基酸（细菌生物标志物）分析，对深海沉降颗粒物中细菌有机质（包括细菌活体和细菌碎屑）的相对贡献进行了定量评估。研究结果显示，细菌有机质对沉降颗粒有机碳（POC）通量和氮（PN）通量的贡献分别可达19 ± 8%和36 ± 14%（图1），比以往基于细胞计数方法估计的结果（1%~4%）高出一个数量级，表明细菌有机质在深海碳输出中扮演着重要角色，不容忽视。此外，研究还发现细菌的贡献比例与颗粒物输出通量呈现负相关的关系（参见图1），因此如果输出生产力降低，细菌有机质的贡献将增加。
图1. 深海沉降颗粒物中细菌源有机质的相对贡献（%）随POC、PN输出通量的变化关系图
综合本研究结果以及对POM和DOM的已有认知，研究团队提出，颗粒附着细菌可通过至少3个途径促进深海有机碳的转化和封存（图2）：（1）细菌自身生长，将易降解的浮游生物源有机物转化为难降解的细菌细胞成分（例如肽聚糖），并融入沉降POM中；（2）细菌生长过程中，向周围水体释放大量结构复杂的代谢产物，包括难降解溶解有机质（即RDOM，例如富含羧基的脂环族化合物）；（3）细菌释放胞外酶，将POM水解成小分子有机质，部分水解产物支撑周围游离态细菌的新陈代谢，促使后者通过微型生物碳泵（MCP）机制产生RDOM。
图2. 深海细菌介导碳输出和碳封存的途径概念图
未来，随着海洋持续升温，海洋生产力与POM输出通量可能减少，推测细菌有机质对沉降POM输出通量的贡献将增加（参见图1），与之相关的RDOM生产和输出也可能增加（图2中的路径2与3），这些过程为减缓大气CO2增加提供了一个负反馈机制。综上，在全球变暖背景下，细菌在海洋碳的输出、转化和封存中的作用将变得越来越重要。
该论文的第一兼通讯作者为5123导航沈渊副教授，共同作者包括美国加州大学圣克鲁兹分校的Thomas Guilderson教授与Matthew McCarthy教授，以及蒙特利湾研究所的Francisco Chavez研究员。该研究获得国家自然科学基金（42106040）和中央高校基础研究基金（20720210076）联合资助。
论文来源及链接
Shen, Y., Guilderson, T. P., Chavez, F. P., & McCarthy, M. D. (2023). Important contribution of bacterial carbon and nitrogen to sinking particle export. Geophysical Research Letters, 50 (11), e2022GL102485.
https://doi.org/10.1029/2022GL102485
供稿｜沈渊
编辑｜朱佳、刘琰冉
审核｜柳欣、刘志宇
