海洋生物碳泵(BCP)是海洋吸收并将有机碳输送至深海、实现长期封存的关键过程。其中,桡足类等浮游动物产生的粪便颗粒(FP)是颗粒有机碳(POC)输出的重要载体之一。但在自然海洋中,FP的“形成—下沉—分解”高度可变,导致颗粒碳通量常呈现明显波动与非线性响应,机制识别与定量评估存在不确定性。
近日,中国科学院南海海洋研究所研究团队在BCP研究中取得进展。团队结合控制实验与多组学分析,定量阐明了当浮游植物群落由硅藻向甲藻转变时,浮游动物摄食行为与微生物分解过程耦合机制,及其对POC深海输出的影响。
研究团队将“摄食阶段”和“分解阶段”拆分开展对比,并将关键过程参数纳入统一框架评估。结果显示,当食物以甲藻为主时,桡足类产生的FP数量较硅藻处理组减少一半,下沉速度降低至硅藻处理组的三分之一,且微生物对甲藻来源FP的分解明显加快。这些因素协同作用会导致FP向深海的输送效率下降,最终削弱BCP效率。
在机制层面,FP的快速分解主要由机会型的颗粒附着微生物驱动。宏基因组分析显示,碳水化合物活性酶和溶酶体同工酶丰度,与FP分解速率高度相关,可作为评估FP分解强弱的重要生物指示信号。基因组证据表明,以浮霉菌为代表的附着型机会主义菌群具备更强的运动能力、解毒系统与大分子降解酶体系,可在颗粒微环境中快速定殖并高效分解FP。
研究进一步发现,升温会通过增强关键分解酶基因丰度加快FP分解,且对甲藻来源FP的加速效应更为突出。全球变暖背景下,许多海域持续出现硅藻比例下降、甲藻比例上升的结构性转变,这意味着这些区域的POC会更快被再矿化并滞留在上层海洋。研究强调,在评估碳汇功能变化时,需将浮游植物组成、浮游动物摄食与微生物动力学过程作为一个耦合系统综合考虑,才能更准确刻画BCP的响应与不确定性来源。
相关成果发表在《环境科学与技术》《Environmental Science&Technology》上。研究工作得到国家自然科学基金委员会等的支持。
论文链接
桡足类摄食与微生物分解协同影响生物碳泵效率的示意图
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