景士杰　陳方帥　郭鑫等

關(guān)鍵詞：海洋碳匯;碳中和;惰性溶解有機(jī)碳;微型生物;高分辨率檢測(cè)技術(shù)

中圖分類號(hào)：P71;P73;P76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-9857（2022）02-0029-05

0引言

應(yīng)對(duì)全球氣候變化已成為國際共識(shí)，其中碳中和是重要抓手。作為負(fù)責(zé)任的大國，中國明確提出力爭2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的具體目標(biāo)。而中國“兩個(gè)全球最大”（最大二氧化碳排放國和最大發(fā)展中國家）的現(xiàn)實(shí)使“經(jīng)濟(jì)發(fā)展第一要?jiǎng)?wù)”成為主要矛盾，減排勢(shì)在必行，而增匯兩全其美。海洋是地球上最大的活躍碳庫，每年可清除30%排放到大氣的二氧化碳，增匯潛力巨大，有望成為保障國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和承擔(dān)國際共區(qū)責(zé)任的優(yōu)選。

海洋碳匯是指海洋吸收大氣中的二氧化碳，并將其儲(chǔ)存在海洋中的過程、活動(dòng)和機(jī)制。在時(shí)間尺度上，相較于森林和草原等陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)十年到數(shù)百年的碳匯儲(chǔ)存周期，海洋碳匯的儲(chǔ)存周期可達(dá)數(shù)千年之久[1]，因此海洋碳匯成為目前研究的前沿和熱點(diǎn)?；诘厍蛳到y(tǒng)框架，包括不同海區(qū)的碳收支和模型計(jì)算，結(jié)論為海洋是大氣二氧化碳的匯，每年從大氣中凈吸收碳約25億t[2]，且正在發(fā)揮越來越重要的作用。

目前海洋碳匯研究主要集中在“看得見摸得著”的紅樹林和海草床等“海岸帶藍(lán)碳”。然而就碳匯量級(jí)而言，“海岸帶藍(lán)碳”的貢獻(xiàn)難以應(yīng)對(duì)氣候變化以及碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵價(jià)值更在于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[3]。除“海岸帶藍(lán)碳”外，海水中還有個(gè)巨大的惰性溶解有機(jī)碳庫（RDOCPool），其碳儲(chǔ)存量約為6500億t[4]，增匯潛力巨大。在理論到實(shí)際應(yīng)用的過程中，首先應(yīng)確認(rèn)其可測(cè)量、可報(bào)告和可核查（MRV）屬性，包括所需的技術(shù)手段和參照規(guī)范。因此，遴選和研發(fā)針對(duì)RDOC特征和MRV屬性的適應(yīng)性方法迫在眉睫。

本研究從目前具有“指紋特征”的生物和化學(xué)檢測(cè)技術(shù)入手，選取相對(duì)成熟且有望應(yīng)用于海洋碳匯特征標(biāo)志的高分辨率檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行綜述和展望。

1流式細(xì)胞和功能基因芯片生物檢測(cè)技術(shù)

有研究結(jié)果表明，海洋惰性溶解有機(jī)碳來源于微型生物活動(dòng)[5]，因此具備快速表征微型生物群落特征的檢測(cè)技術(shù)具有重要應(yīng)用前景。海洋微型生物具有個(gè)體微小、數(shù)量巨大、種類繁多和代謝過程多樣等特點(diǎn)，常聚集成復(fù)雜群落共同發(fā)揮作用，且絕大多數(shù)不可培養(yǎng)[6]。目前分子生物學(xué)16SrRNA基因測(cè)序技術(shù)已普遍應(yīng)用，且在分析微型生物群落的種類和數(shù)量中發(fā)揮重要作用，但其測(cè)序結(jié)果并不能很好地切合碳中和檢測(cè)的需求。用于檢測(cè)環(huán)境生物樣本的流式細(xì)胞技術(shù)和基因芯片技術(shù)為解析海洋微型生物的群落格局、相互作用和生態(tài)學(xué)效應(yīng)提供新的選擇。其中，流式細(xì)胞儀具有靈敏度高、精確度高、通量高、參數(shù)多、分析速度快和具備細(xì)胞分選功能的特性，并在新算法的支持下可實(shí)現(xiàn)功能群的區(qū)分;基因芯片則通過合理的序列設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫建設(shè)，可高效、便捷、低成本和有針對(duì)性地檢測(cè)環(huán)境中的特定基因序列，包括碳代謝基因。

1.1流式細(xì)胞技術(shù)及其擴(kuò)展應(yīng)用

20世紀(jì)80年代流式細(xì)胞技術(shù)（FCM）開始應(yīng)用于海洋微型生物研究。1988年船載流式細(xì)胞儀的應(yīng)用促使原綠球藻的重大發(fā)現(xiàn)[7]。流式細(xì)胞技術(shù)可在單細(xì)胞水平對(duì)細(xì)胞的物理、生物和化學(xué)特性進(jìn)行多參數(shù)定量分析和分選，其以激光為光源，激發(fā)并獲取樣品中的細(xì)胞或微粒所產(chǎn)生的不同程度的熒光和散射光信號(hào)，同時(shí)選用差異化的熒光染料標(biāo)記樣品，用來檢測(cè)和區(qū)分不同細(xì)胞的生物學(xué)特征，如檢測(cè)DNA 的綠色熒光染料SYBRGreen Ⅰ、檢測(cè)呼吸鏈活性的染料CTC、檢測(cè)細(xì)胞膜完整性的紅色熒光染料PI以及檢測(cè)蛋白含量的染料FITC。流式細(xì)胞技術(shù)的多參數(shù)分析為微型生物群落提供獨(dú)特的指紋標(biāo)記，以流式細(xì)胞技術(shù)為基礎(chǔ)的快速定量技術(shù)為深入研究海洋微型生物提供廣闊的應(yīng)用前景。

流式細(xì)胞技術(shù)獨(dú)特的細(xì)胞分選功能可純化細(xì)胞且擴(kuò)展性強(qiáng)，為單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)提供有力支撐。例如：通過原位熒光雜交篩選特異細(xì)胞，通過細(xì)胞特征色素純化不同的功能類群，與基因組分析相結(jié)合評(píng)估群落穩(wěn)定性。Koch等[8]借助流式細(xì)胞技術(shù)能夠快速分析和監(jiān)測(cè)微型生物群落動(dòng)態(tài)變化的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)微型生物群落結(jié)構(gòu)和亞群落功能的分析;Liu等[9]借助流式細(xì)胞技術(shù)能夠?qū)悠愤M(jìn)行細(xì)胞分選的功能，對(duì)比16SrRNA 基因分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)微型生物群落穩(wěn)定性的快速評(píng)估。

當(dāng)前流式細(xì)胞技術(shù)已成功應(yīng)用于廢水、沼氣池、地面水和微生物燃料電池等[8，10]生態(tài)系統(tǒng)的微型生物群落結(jié)構(gòu)表征。通過新算法解析，流式細(xì)胞技術(shù)能夠從不同環(huán)境樣本中獲得大量的群落特征數(shù)據(jù)，快速檢測(cè)微型生物群落的高分辨率時(shí)間動(dòng)態(tài)變化過程，并通過定義門的數(shù)量和特征，檢測(cè)和評(píng)估物種豐富度、群落相似性和穩(wěn)定性及其與非生物參數(shù)的相關(guān)性。相較于16S測(cè)序技術(shù)而言，流式細(xì)胞技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于操作方便、耗時(shí)短和成本低，同時(shí)可密集監(jiān)測(cè)群落動(dòng)態(tài)的細(xì)微變化，如在6h和12h的短期波動(dòng)中獲取微型生物群落結(jié)構(gòu)的差異，而如此密集的時(shí)間分辨率差異很難通過16SrRNA基因測(cè)序技術(shù)獲取。因此，流式細(xì)胞技術(shù)具備生物指紋檢測(cè)的技術(shù)特征，有望被應(yīng)用于海洋環(huán)境的物種豐富度以及群落組成和穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，以高分辨率指紋技術(shù)來追蹤并標(biāo)記特殊微型生物群落，進(jìn)一步結(jié)合其他技術(shù)分析該物種的結(jié)構(gòu)、功能和代謝過程，同時(shí)作為碳指紋檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

1.2功能基因芯片技術(shù)及其擴(kuò)展應(yīng)用

基因芯片技術(shù)是基于分子和基因水平的高分辨率檢測(cè)技術(shù)，其以基因探針技術(shù)為基礎(chǔ)，將數(shù)十萬甚至數(shù)百萬的已知DNA 序列片段有規(guī)律地排列并固定在支持物上，形成二維/三維DNA 探針陣列，并基于結(jié)合后的熒光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和分析。功能基因芯片則是利用環(huán)境樣品中的功能基因設(shè)計(jì)特異性探針，從而提高檢測(cè)的精度和效率。例如：針對(duì)海洋碳匯設(shè)計(jì)功能基因芯片，可深入揭示碳匯過程中微型生物的群落結(jié)構(gòu)和代謝功能特征[11]。鑒于微型生物驅(qū)動(dòng)碳循環(huán)過程基因的多樣性和復(fù)雜性，亟須建設(shè)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。gzslib202204012232

美國俄克拉荷馬州大學(xué)集中團(tuán)隊(duì)開發(fā)以GeoChip為代表的一系列功能基因芯片產(chǎn)品[12-13]，并廣泛應(yīng)用于土壤、湖泊和海洋等復(fù)雜環(huán)境中微型生物功能基因的檢測(cè)和研究[14]。Tu等[13]利用功能基因芯片技術(shù)研究長期環(huán)境變暖對(duì)俄克拉荷馬州中部地區(qū)土壤微型生物群落的影響，該芯片含有約82000個(gè)探針，包括410個(gè)與碳、氮和硫循環(huán)相關(guān)的功能基因，實(shí)現(xiàn)對(duì)微型生物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因素和生態(tài)系統(tǒng)功能的耦合分析。包含十?dāng)?shù)萬個(gè)甚至更高數(shù)量探針的單功能基因芯片可有效鏈接海洋環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)功能和微型生物群落結(jié)構(gòu)。

由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變，目前的研究多聚焦于有限的功能基因（如RuBisCO），國際上尚未針對(duì)微型生物所驅(qū)動(dòng)的碳匯過程進(jìn)行深入系統(tǒng)的解析。因此，深入系統(tǒng)解析碳匯鏈條中微型生物代表類群的功能基因，并有針對(duì)性地研發(fā)海洋環(huán)境碳循環(huán)功能基因芯片，有望作為高分辨率基因芯片碳指紋圖譜而在海洋碳匯研究中發(fā)揮重要作用。

2高分辨率光譜和質(zhì)譜化學(xué)檢測(cè)技術(shù)

海洋溶解有機(jī)碳是目前海洋研究的熱點(diǎn)，前期研究主要聚焦于其組成和性質(zhì)、遷移和轉(zhuǎn)化、源匯格局及其生物地球化學(xué)調(diào)控機(jī)制。溶解有機(jī)碳在海洋碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用，尤其是微型生物產(chǎn)生的惰性溶解有機(jī)碳分子。目前惰性溶解有機(jī)碳的表征手段主要包括光譜分析技術(shù)和質(zhì)譜技術(shù)。光譜分析是通過測(cè)定有機(jī)質(zhì)的發(fā)色團(tuán)和熒光團(tuán)等參數(shù)，簡便、快捷和靈敏地獲取多個(gè)有機(jī)碳特征指標(biāo)，以表征其整體特性;傅里葉變換-離子回旋共振質(zhì)譜實(shí)現(xiàn)對(duì)溶解有機(jī)碳的超高分辨率分子組成解析，高通量和高精度地揭示不同環(huán)境中溶解有機(jī)碳化學(xué)的共性和差異性。

2.1光譜分析技術(shù)及其擴(kuò)展應(yīng)用

光譜特征是溶解有機(jī)碳的重要特征，光譜分析是近年來迅速發(fā)展的表征海洋溶解有機(jī)碳的手段，包括紫外-可見吸光光譜和熒光光譜2個(gè)部分。其中，紫外-可見吸光光譜可測(cè)定有色溶解有機(jī)質(zhì)（CDOM）的發(fā)色團(tuán)，這是海洋光學(xué)遙感研究中的重要參數(shù);熒光光譜利用水體的激發(fā)光譜和散射光譜對(duì)水體進(jìn)行分析，特征性識(shí)別不同來源的有機(jī)分子，通過熒光強(qiáng)度確定類腐殖質(zhì)和類蛋白質(zhì)等有機(jī)分子組分的濃度變化，其與錨系浮標(biāo)、水下滑翔機(jī)和Bio-Argo浮標(biāo)上的光學(xué)探頭搭載，可實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光溶解有機(jī)質(zhì)（FDOM）的高分辨率現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[15]。

光譜分析可獲取CDOM和FDOM的表觀豐度以及一系列定性和定量信息，如相對(duì)分子質(zhì)量、芳香度、腐殖化程度和微生物活性。近年來光譜分析技術(shù)又被擴(kuò)展應(yīng)用于膠體、顆粒有機(jī)質(zhì)（POM）和沉積有機(jī)質(zhì)（SOM）的表征領(lǐng)域，利用光譜分析手段同步表征海洋環(huán)境中不同形態(tài)有機(jī)質(zhì)的豐度和性質(zhì)變化，可推動(dòng)海洋有機(jī)質(zhì)生物地球化學(xué)過程的研究進(jìn)程[16]。光譜分析技術(shù)具有簡單、快速和靈敏的特性，實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量海洋溶解有機(jī)質(zhì)樣品的分析和測(cè)定，可獲取多個(gè)結(jié)果穩(wěn)定的有機(jī)碳特征指標(biāo)，尤其適用于快速檢測(cè)有機(jī)碳分子的轉(zhuǎn)化過程。經(jīng)算法優(yōu)化后，光譜分析技術(shù)可應(yīng)用于遙感成像和遙感反演，實(shí)現(xiàn)對(duì)海區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和長期跟蹤監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步結(jié)合溫度、營養(yǎng)鹽和堿度等重要環(huán)境要素，成為具備高分辨率特征的海洋碳循環(huán)科學(xué)研究技術(shù)手段。

2.2傅里葉變換-離子回旋共振質(zhì)譜技術(shù)及其擴(kuò)展應(yīng)用

1974年傅里葉變換-離子回旋共振質(zhì)譜（FTICRMS）開始應(yīng)用于化合物的鑒定，結(jié)合電噴霧技術(shù)（ESI），可高通量地表征分子量范圍為200～1000Da的離子型化合物，其質(zhì)荷比分辨率可達(dá)10-5，實(shí)現(xiàn)精確化學(xué)式判定。高分辨率質(zhì)譜檢測(cè)海水有機(jī)物的化學(xué)分子組成，為有機(jī)碳檢測(cè)提供獨(dú)特的化學(xué)分子碳指紋特征，為深入解析有機(jī)碳分子的結(jié)構(gòu)信息提供技術(shù)支撐?；诟叻直媛寿|(zhì)譜獲取的化學(xué)分子組成的高通量數(shù)據(jù)，能夠定性和定量地表征溶解有機(jī)碳的惰性成分，并獲取等價(jià)雙鍵數(shù)（DBE）[17]和芳香性指數(shù)（AI）[18]等碳降解的相關(guān)指標(biāo)。

目 前高分辨率質(zhì)譜已成功應(yīng)用于部分生態(tài)環(huán)境的有機(jī)碳組成研究，從南、北極凍土冰芯內(nèi)容物到溫?zé)釒Ш恿魃指迟|(zhì)組分均有相應(yīng)的研究成果和數(shù)據(jù)庫，在海洋樣品的收集和檢測(cè)解析方面的方法和手段亦初步建立[19]。因此，高分辨率質(zhì)譜具備高分辨率表征有機(jī)碳結(jié)構(gòu)和分子特性的技術(shù)特征，通過現(xiàn)有環(huán)境分子的質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫以及構(gòu)建基于我國水域特征的質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫，可獲取不同空間的環(huán)境有機(jī)碳分子特征，有望作為化學(xué)碳指紋進(jìn)行溯源和追蹤分析。

3穩(wěn)定碳同位素標(biāo)記技術(shù)鏈接生物群落和化學(xué)特征

上文梳理生物和化學(xué)層面有望用于海洋碳匯特征標(biāo)定的高分辨率技術(shù)，但微型生物活動(dòng)和化學(xué)代謝產(chǎn)物之間的關(guān)聯(lián)性同樣是高分辨率信息提取的核心特征?，F(xiàn)有的生物信息分析技術(shù)可為二者建立相關(guān)性，但“相關(guān)”不等同于“因果”。因此，建立生物溯源和化學(xué)檢測(cè)的鏈接技術(shù)尤為重要[20]。

可同時(shí)標(biāo)記生物體DNA 和代謝產(chǎn)物的穩(wěn)定同位素標(biāo)記技術(shù)為揭示碳流途徑提供嶄新思路，該技術(shù)已在農(nóng)作物根系、森林和污染區(qū)等[21-22]土壤的微型生物群落研究中應(yīng)用，結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)，能夠揭示不同變量條件下的特定微型生物群落的活躍物種和相應(yīng)的代謝通路。

穩(wěn)定碳同位素標(biāo)記技術(shù)通過在培養(yǎng)過程中使用包含穩(wěn)定碳同位素（13C）的底物，令利用該底物的特定微型生物類群的代謝產(chǎn)物和子代DNA 均摻入穩(wěn)定同位素原子。在海洋碳匯研究中，結(jié)合穩(wěn)定碳同位素標(biāo)記技術(shù)和高通量測(cè)序技術(shù)開展時(shí)間序列下的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)參與碳代謝的異養(yǎng)細(xì)菌類群及其相關(guān)代謝機(jī)制的直接鏈接。進(jìn)一步結(jié)合高分辨率質(zhì)譜技術(shù)，追蹤穩(wěn)定碳同位素標(biāo)記的代謝產(chǎn)物，有望作為碳指紋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海洋碳匯中微型生物類群與有機(jī)質(zhì)之間從“相關(guān)”到“因果”的突破，示蹤海洋生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)碳的轉(zhuǎn)運(yùn)和能量傳遞。

4結(jié)語