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新研究揭示微生物碳泵的反向運(yùn)行機(jī)制
作者：朱漢斌  來源：中國科學(xué)報
山東拓普生物工程有限公司  http://521google.com.cn
中國科學(xué)院華南植物園研究員王法明團(tuán)隊聯(lián)合德國不來梅大學(xué)、美國哈佛大學(xué)等科研人員，在國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助下，成功揭示了微生物碳泵的反向運(yùn)行機(jī)制。相關(guān)成果近日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）。
海洋沉積物作為地球上最大的碳儲庫，其碳保存機(jī)制長期備受關(guān)注。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，海底有機(jī)質(zhì)能夠長期保存，得益于微生物碳泵、礦物泵等機(jī)制的作用。在沉積物埋藏過程中，活性小分子底物逐漸消失，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以識別的大分子物質(zhì)，這些物質(zhì)被長久埋藏于深層沉積物中，使得海洋次表層沉積物被視為惰性碳庫。
然而，近年來的研究發(fā)現(xiàn)，海底深處存在豐富的微生物群落，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)知。這表明，在沉積物埋藏過程中，有機(jī)質(zhì)并非完全“沉睡”，而是持續(xù)緩慢地被微生物利用。但這些微生物如何生存，其能量來源及升溫所扮演的角色，仍是未解之謎。全球近一半海洋次表層沉積物溫度超過40°C，為微生物生存提供了獨(dú)特環(huán)境。
基于國際大洋鉆探計劃，研究團(tuán)隊使用了來自Shikoku海盆、沉積物年齡約780萬年的深層沉積物（沉積物剖面深度160米）進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，深部地球環(huán)境中的碳循環(huán)過程與地表截然不同，尤其在溫度超過35°C時，礦物碳泵機(jī)制發(fā)生“反轉(zhuǎn)”；超過55°C時，微生物碳泵機(jī)制也出現(xiàn)類似“反轉(zhuǎn)”。當(dāng)溫度升至85°C時，這些過程顯著加速，并伴隨難降解碳庫的“再加工”形成。
研究還發(fā)現(xiàn)，在55°C時，微生物經(jīng)歷有機(jī)質(zhì)礦化的“瓶頸期”。此溫度區(qū)間內(nèi)，水解過程受到抑制，生物發(fā)酵過程貢獻(xiàn)減小，非生物過程所貢獻(xiàn)的可利用有機(jī)碳有限。然而，當(dāng)溫度上升至85°C時，非生物過程貢獻(xiàn)增大，生物降解鏈條趨于斷裂。非生物水解作用及中間產(chǎn)物（如乙酸、氫氣等）的生成，降低了嗜熱微生物群體對深部生物圈微生物共生關(guān)系的依賴，重構(gòu)了厭氧環(huán)境中基于有機(jī)質(zhì)降解的微生物共生關(guān)系，促進(jìn)了礦化終步驟的進(jìn)行。
據(jù)估算，這部分碳的活化所產(chǎn)生的生物可利用碳比例可超過總有機(jī)碳的0.25%（包括非生物釋放、生物代謝及已代謝礦化過程的總和）。盡管這一比例看似微小，但考慮到次表層沉積物中有機(jī)碳總量高達(dá)15000000Gt（全球海水總碳量僅39000Gt），升溫過程所轉(zhuǎn)變的可利用有機(jī)碳量依然非�？捎^。這部分巨大的碳源足以支持深部生態(tài)系統(tǒng)中繁多的生命活動，解釋了深海沉積環(huán)境中深部生物圈的存在。
論文第一作者兼通訊作者、中國科學(xué)院華南植物園副研究員甘淑釵表示，該研究不僅提出了微生物碳泵和礦物泵在海洋深層沉積物中的反向運(yùn)行機(jī)制，也為表層海水的碳儲存機(jī)制提供了新的研究視角，將促使人們重新思考地球深層環(huán)境中碳的轉(zhuǎn)化路徑和貢獻(xiàn)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.adw8638
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