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微型生物在海洋碳儲庫及氣候變化中的作用

海洋微型生物個體極小、數(shù)量極大、功能特殊,是海洋生態(tài)系統(tǒng)中“看不見的主角”,在營養(yǎng)循環(huán)、物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能流傳遞中發(fā)揮著不可替代的作用,在全球氣候變化中扮演著舉足輕重的角色．一系列前所未知的微型生物生態(tài)過程與機制涉及到海洋碳循環(huán)、資源環(huán)境效應(yīng)乃至氣候變化．其中,含細菌葉綠素的微型生物是新近認識到的海洋微型生物功能類群,對目前建立在產(chǎn)氧光合作用基礎(chǔ)上的海洋能量和氧平衡的理解是一個沖擊,對于認識海洋碳循環(huán)的路徑、海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能具有重要意義,“好氧不產(chǎn)氧光合異養(yǎng)菌(AAPB)”就是一個典型例證．

圖1　海洋碳循環(huán)的主要生物過程[4]

焦念志院士課題組自2006年起以海洋碳循環(huán)為主線,針對AAPB為代表的海洋微型生物開展了系統(tǒng)的研究,相關(guān)研究成果獲得了2015年度國家自然科學(xué)二等獎(完成人為焦念志、張瑤、駱庭偉、張銳、鄭強)．代表性工作包括:

1) 微型生物主要功能類群的生態(tài)過程與環(huán)境效應(yīng)研究．利用流式細胞技術(shù)研究了超微型浮游生物群落結(jié)構(gòu)的動態(tài)分布規(guī)律,闡明了超微型浮游生物群落結(jié)構(gòu)和生物量在不同典型海域的調(diào)控機制,揭示了超微型浮游生物在寡營養(yǎng)的亞熱帶太平洋是輸出生產(chǎn)力的重要來源;通過在東海長江口及鄰近海域的長年監(jiān)測,展示了超微型浮游生物群落對人為活動——三峽大壩初次蓄水的前后響應(yīng)[1]．

2) 重要功能類群AAPB的系統(tǒng)研究．基于新創(chuàng)建的時序紅外顯微熒光方法,在全球范圍內(nèi)調(diào)查了AAPB的分布格局,闡明了AAPB全球分布規(guī)律和關(guān)鍵調(diào)控機制[2];發(fā)現(xiàn)細菌光能利用對于“海區(qū)是大氣CO2的‘源’還是‘匯’至關(guān)重要”,并揭示了AAPB不產(chǎn)氧光合作用對浮游植物產(chǎn)氧光合作用的補償效應(yīng)[3],建立了一個包括細菌光能利用的海洋表層碳循環(huán)新模型,為全面認識海洋表層光能利用和碳循環(huán)過程提供了新的視角和依據(jù)．

3) 提出海洋儲碳新機制——“微型生物碳泵(microbial carbon pump,MCP)”理論(圖1),詮釋海洋調(diào)節(jié)氣候變化的新認識．通過對海洋溶解有機碳庫(DOC)的動態(tài)變化及微型生物再生和利用DOC的關(guān)系進行深入分析,揭示了微型生物碳轉(zhuǎn)化效應(yīng),即微型生物在DOC的循環(huán)過程中驅(qū)動低濃度活性DOC(LDOC)向高濃度惰性DOC(RDOC)的流動,構(gòu)成了對海洋DOC庫起關(guān)鍵作用的MCP．該理論指出,微型生物將LDOC轉(zhuǎn)化為RDOC,是海洋RDOC的主要貢獻者;與經(jīng)典“生物泵(BP)”相比,MCP不依賴于沉降和物理搬運過程,是一個基于生物過程的新機制[4]．

焦念志院士課題組提出的MCP海洋儲碳新機制,成為國際研究熱點,國際海洋科學(xué)委員會為此設(shè)立了以MCP為名的科學(xué)工作組WG134,促進了學(xué)科發(fā)展,顯著提升了我國在該領(lǐng)域的國際影響力．該成果于2010年被《Nature Reviews Microbiology》雜志作為“Featured Article”發(fā)表,并在其網(wǎng)站首頁、期刊封面及目錄做了突出展示,自發(fā)表以來被美國ESI數(shù)據(jù)庫持續(xù)遴選為高引用文章．MCP被國際微生物生態(tài)學(xué)會(ISME)12屆大會遴選為7個前沿?zé)狳c之一;被美國海洋與湖沼學(xué)會(ASLO)大會遴選為4個前沿科學(xué)論題之一．美國科學(xué)促進會(AAAS)于2011年出版了焦念志院士等主編的以MCP為主題的《Science》增刊．MCP被《Science》雜志評論為“巨大碳庫的幕后推手”,作為海洋重要的儲碳機制之一．美國科學(xué)院院刊《PNAS》發(fā)表文章指出,“MCP機制研究有助于理解古代海洋和現(xiàn)代海洋碳循環(huán)對于未來氣候變化的響應(yīng)”;美國科學(xué)院院士Karl評價MCP是對經(jīng)典BP理論的一個重要深化．

此外,焦念志院士課題組利用MCP的生源要素調(diào)控機制,提出了“通過陸海統(tǒng)籌與減少陸源營養(yǎng)鹽輸入提高海洋碳匯”的理論[5]．近期,焦念志院士聯(lián)合國際同行共同撰寫了《Biogeosciences》?？?突破經(jīng)典理論的束縛,闡釋了RDOC的時空屬性,建立了BP-MCP的鏈接,搭建了古今結(jié)合的橋梁,提出了全球變暖背景下MCP的相對重要性增加的可驗證科學(xué)假說;并于2015年在《Science》雜志上發(fā)表評述文章,闡釋了深海RDOC假說,呼應(yīng)前瞻性綜述論文觀點．

焦念志院士課題組的研究將促進多學(xué)科交叉和古今結(jié)合地闡釋MCP儲碳的過程與機制,有助于評估我國代表海區(qū)儲碳潛力的基本狀況,建立氣候變化背景下海洋有機碳儲庫的情景模型,為海洋增匯提供理論依據(jù)和技術(shù)儲備,為我國應(yīng)對氣候談判和發(fā)展低碳經(jīng)濟提供科技支撐．

參考文獻：

[1]JIAO N Z,ZHANG Y,ZENG Y H,et al. Ecological anomalies in the East China Sea:impacts of the Three Gorges Dam?[J]. Water Research,2007,41(6):1287-1293.

[2]JIAO N Z,ZHANG Y,ZENG Y H,et al. Distinct distribution pattern of abundance and diversity of aerobic anoxygenic phototrophic bacteria in the global ocean [J]. Environmental Microbiology,2007,9(12):3091-3099.

[3]JIAO N Z,ZHANG F,HONG N. Significant roles of bacteriochlorophylla supplemental to chlorophylla in the ocean [J]. The ISME Journal,2010(4):595-597.

[4]JIAN N Z,HERNDL G J,HANSELL D A,et al. Microbial production of recalcitrant dissolved organic matter:long-term carbon storage in the global ocean [J]. Nature Reviews Microbiology,2010(8):593-599.

[5]JIAO N Z,TANG K,CAI H Y,et al. Increasing the microbial carbon sink in the sea by reducing chemical fertilization on the land [J]. Nature Reviews Microbiology,2011,9(1):75.

(徐婷婷編寫)

doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201604203

文章編號：0438-0479(2016)04-0461-02

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