微型生物在海洋碳儲(chǔ)庫(kù)及氣候變化中的作用

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微型生物在海洋碳儲(chǔ)庫(kù)及氣候變化中的作用

海洋微型生物個(gè)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(jiàn)的主角”,在營(yíng)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(guò)程與機(jī)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(xì)菌葉綠素的微型生物是新近認(rèn)識(shí)到的海洋微型生物功能類群,對(duì)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(gè)沖擊,對(duì)于認(rèn)識(shí)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(gè)典型例證．

圖1　海洋碳循環(huán)的主要生物過(guò)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(duì)AAPB為代表的海洋微型生物開(kāi)展了系統(tǒng)的研究,相關(guān)研究成果獲得了2015年度國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(完成人為焦念志、張瑤、駱庭偉、張銳、鄭強(qiáng))．代表性工作包括:

1) 微型生物主要功能類群的生態(tài)過(guò)程與環(huán)境效應(yīng)研究．利用流式細(xì)胞技術(shù)研究了超微型浮游生物群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(jī)制,揭示了超微型浮游生物在寡營(yíng)養(yǎng)的亞熱帶太平洋是輸出生產(chǎn)力的重要來(lái)源;通過(guò)在東海長(zhǎng)江口及鄰近海域的長(zhǎng)年監(jiān)測(cè),展示了超微型浮游生物群落對(duì)人為活動(dòng)——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(shí)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(jī)制[2];發(fā)現(xiàn)細(xì)菌光能利用對(duì)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(duì)浮游植物產(chǎn)氧光合作用的補(bǔ)償效應(yīng)[3],建立了一個(gè)包括細(xì)菌光能利用的海洋表層碳循環(huán)新模型,為全面認(rèn)識(shí)海洋表層光能利用和碳循環(huán)過(guò)程提供了新的視角和依據(jù)．

3) 提出海洋儲(chǔ)碳新機(jī)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(rèn)識(shí)．通過(guò)對(duì)海洋溶解有機(jī)碳庫(kù)(DOC)的動(dòng)態(tài)變化及微型生物再生和利用DOC的關(guān)系進(jìn)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(guò)程中驅(qū)動(dòng)低濃度活性DOC(LDOC)向高濃度惰性DOC(RDOC)的流動(dòng),構(gòu)成了對(duì)海洋DOC庫(kù)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(xiàn)者;與經(jīng)典“生物泵(BP)”相比,MCP不依賴于沉降和物理搬運(yùn)過(guò)程,是一個(gè)基于生物過(guò)程的新機(jī)制[4]．

焦念志院士課題組提出的MCP海洋儲(chǔ)碳新機(jī)制,成為國(guó)際研究熱點(diǎn),國(guó)際海洋科學(xué)委員會(huì)為此設(shè)立了以MCP為名的科學(xué)工作組WG134,促進(jìn)了學(xué)科發(fā)展,顯著提升了我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)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(yè)、期刊封面及目錄做了突出展示,自發(fā)表以來(lái)被美國(guó)ESI數(shù)據(jù)庫(kù)持續(xù)遴選為高引用文章．MCP被國(guó)際微生物生態(tài)學(xué)會(huì)(ISME)12屆大會(huì)遴選為7個(gè)前沿?zé)狳c(diǎn)之一;被美國(guó)海洋與湖沼學(xué)會(huì)(ASLO)大會(huì)遴選為4個(gè)前沿科學(xué)論題之一．美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)(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(píng)論為“巨大碳庫(kù)的幕后推手”,作為海洋重要的儲(chǔ)碳機(jī)制之一．美國(guó)科學(xué)院院刊《PNAS》發(fā)表文章指出,“MCP機(jī)制研究有助于理解古代海洋和現(xiàn)代海洋碳循環(huán)對(duì)于未來(lái)氣候變化的響應(yīng)”;美國(guó)科學(xué)院院士Karl評(píng)價(jià)MCP是對(duì)經(jīng)典BP理論的一個(gè)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(jī)制,提出了“通過(guò)陸海統(tǒng)籌與減少陸源營(yíng)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(guó)際同行共同撰寫(xiě)了《Biogeosciences》專刊,突破經(jīng)典理論的束縛,闡釋了RDOC的時(shí)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(duì)重要性增加的可驗(yàn)證科學(xué)假說(shuō);并于2015年在《Science》雜志上發(fā)表評(píng)述文章,闡釋了深海RDOC假說(shuō),呼應(yīng)前瞻性綜述論文觀點(diǎn)．

焦念志院士課題組的研究將促進(jìn)多學(xué)科交叉和古今結(jié)合地闡釋MCP儲(chǔ)碳的過(guò)程與機(jī)制,有助于評(píng)估我國(guó)代表海區(qū)儲(chǔ)碳潛力的基本狀況,建立氣候變化背景下海洋有機(jī)碳儲(chǔ)庫(kù)的情景模型,為海洋增匯提供理論依據(jù)和技術(shù)儲(chǔ)備,為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候談判和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)提供科技支撐．

參考文獻(xiàn)：

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[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.

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[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(xiě))

doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201604203

文章編號(hào)：0438-0479(2016)04-0461-02

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