近日，廈門大學海洋與地球學院、近海海洋環境科學國家重點實驗室沈淵副教授以第一兼通訊作者身份在地學權威期刊Geophysical Research Letters上發表了題為“Important Contribution of Bacterial Carbon and Nitrogen to Sinking Particle Export”的研究論文。該研究首次量化了細菌有機質對深海沉降顆粒物通量的貢獻，提出細菌介導多重碳轉化過程的概念模型，并強調在全球變暖背景下，細菌對海洋碳輸出和封存的重要性將日益凸顯。
研究背景
海洋表層的浮游植物通過光合作用將CO2轉化為顆粒有機物（POM），POM的輸出和再礦化構成了海洋生物泵的主要組成部分。在沉降過程中，POM不斷被細菌降解和轉化，其中一部分轉化為細菌自身生物量。然而，先前研究表明，深海沉降的POM仍然主要由浮游生物的殘余物組成。值得注意的是，早期嘗試估算細菌對有機碳庫貢獻的工作主要集中在懸浮態POM，并且大部分是基于活體細菌細胞計數的方法。而海洋中絕大多數的有機質以非生命形式存在（例如碎屑），因此以往的研究可能低估了沉降POM中所攜帶的細菌有機質含量。
研究結果
研究團隊在北太平洋1200 米深的深海布放沉積物捕獲器，收集了長達6年的沉降顆粒物樣品，并通過D-氨基酸（細菌生物標志物）分析，對深海沉降顆粒物中細菌有機質（包括細菌活體和細菌碎屑）的相對貢獻進行了定量評估。研究結果顯示，細菌有機質對沉降顆粒有機碳（POC）通量和氮（PN）通量的貢獻分別可達19 ± 8%和36 ± 14%（圖1），比以往基于細胞計數方法估計的結果（1%~4%）高出一個數量級，表明細菌有機質在深海碳輸出中扮演著重要角色，不容忽視。此外，研究還發現細菌的貢獻比例與顆粒物輸出通量呈現負相關的關系（圖1），因此如果輸出生產力降低，細菌有機質的貢獻將增加。
圖1 深海沉降顆粒物中細菌源有機質的相對貢獻（%）隨POC、PN輸出通量的變化關系圖
綜合本研究結果以及對POM和DOM的已有認知，研究團隊提出，顆粒附著細菌可通過至少3個途徑促進深海有機碳的轉化和封存（圖2）：
（1）細菌自身生長，將易降解的浮游生物源有機物轉化為難降解的細菌細胞成分（例如肽聚糖），并融入沉降POM中；
（2）細菌生長過程中，向周圍水體釋放大量結構復雜的代謝產物，包括難降解溶解有機質（即RDOM，例如富含羧基的脂環族化合物）；
（3）細菌釋放胞外酶，將POM水解成小分子有機質，部分水解產物支撐周圍游離態細菌的新陳代謝，促使后者通過微型生物碳泵（MCP）機制產生RDOM。
圖2 深海細菌介導碳輸出和碳封存的途徑概念圖
未來，隨著海洋持續升溫，海洋生產力與POM輸出通量可能減少，推測細菌有機質對沉降POM輸出通量的貢獻將增加（參見圖1），與之相關的RDOM生產和輸出也可能增加（圖2中的路徑2與3），這些過程為減緩大氣CO2增加提供了一個負反饋機制。綜上，在全球變暖背景下，細菌在海洋碳的輸出、轉化和封存中的作用將變得越來越重要。
研究團隊及資助
該論文的第一兼通訊作者為廈門大學沈淵副教授，共同作者包括美國加州大學圣克魯茲分校的Thomas Guilderson教授與Matthew McCarthy教授，以及蒙特利灣研究所的Francisco Chavez研究員。該研究獲得國家自然科學基金項目（42106040）和中央高校基本科研業務費專項資金（20720210076）的聯合資助。
論文來源
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.
論文鏈接：https://doi.org/10.1029/2022GL102485
供稿｜沈淵
編輯｜朱佳、劉琰冉、蘇穎
審核｜劉志宇、唐騰鳳
