微型生物碳泵研究進展

蔡阮鴻，鄭 強，陳曉煒，徐大鵬，王 煜，駱庭偉，張 銳

(廈門大學海洋與地球學院，近海海洋環境科學國家重點實驗室，福建省海洋碳匯重點實驗室，海洋微型生物與地球圈層研究所，福建 廈門 361102)

人類活動正從多時空尺度上影響著地球系統.政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)特別評估報告[1]以及相關研究成果均指出：自工業革命以來，人類活動(以石化能源燃燒為主)導致了大氣中溫室效應氣體濃度顯著增加[2].以二氧化碳(CO2)為主的溫室效應氣體的激增導致全球變暖和海洋酸化，改變了生態系統和地球各碳庫之間的平衡[3-6].地球各圈層碳庫間的變化量影響了氣候變化的程度、范圍及人類生存[7-8].

海洋占地球總表面積近71%，總儲碳量(含有機和無機)超過380 000億t，是地球表面最大的活躍碳庫，是大氣碳庫的近50倍、陸地碳庫的近20倍[6,9-10].自工業革命以來，近1/3人類活動排放的CO2被海洋以物理、化學、生物的機制吸收和儲藏，在一定程度上緩解了全球變暖及其他氣候變化[11].開闊大洋儲存大氣CO2至深層海洋，當時間尺度達百年甚至千年時，即可起到減緩大氣CO2壓力而調節氣候的作用.目前已知的3種海洋儲碳機制(圖1)分別是：溶解度泵(solubility pump，SP)、生物泵(biological pump，BP)和微型生物碳泵(microbial carbon pump，MCP).

SP(圖1左)介導無機碳封存，可從化學海洋學和物理海洋學角度解釋海洋維持溶解無機碳(通常指溶解的CO2、HCO3-和CO32-)從表層到深海的濃度梯度,將寒冷、高密度、富含溶解無機碳的水輸送至海洋深部(主要發生在北大西洋高緯度地區)，貢獻無機碳至近380 000億t的海洋巨大溶解無機碳庫[12].

BP(圖1中)通過重力沉降輸送顆粒有機質(particulate organic matter，POM)至海底沉積物形成長期儲碳，其通量主要依賴于生活在海洋表層的浮游植物固定無機碳所生成的POM沉降[13-14].然而，海洋中POM在總有機碳庫中所占比例不足5%，且絕大部分POM在沉降過程中被轉化為溶解有機質(dissolved organic matter，DOM)，或經微生物呼吸作用迅速分解為無機碳；據估算，現代海洋中浮游植物每年固定的有機碳總量約580億t，通過BP最終沉降至永久躍層而儲藏的POM總量每年僅3億～7億t[9,15]，約占初級生產力的0.5%～1.2%.

圖1 海洋三大儲碳機制:溶解度泵、生物泵和微型生物碳泵Fig.1 The three ocean carbon sequestration mechanisms:solubility pump,biological pump,and microbial carbon pump

海洋有機碳的主體組分(>95%)為DOM形式，且絕大部分DOM耐受生物降解，周期可長達5 000年[16-17]，被稱為惰性溶解有機質(recalcitrant DOM，RDOM).有別于BP介導的POM沉積，海洋中RDOM庫的儲量巨大，儲碳量近6 600億t[18]，接近大氣CO2的總儲碳量.研究表明巨大的RDOM庫的儲量變化影響著全球氣候[7,19-20].新提出的MCP儲碳機制(圖1右)闡述了通過微型生物活動將活性溶解有機質(labile DOM,LDOM)轉化為RDOM的生態過程，具體包括異養微生物代謝轉化、病毒裂解宿主生物、原生動物捕食微型生物等[9,18]，累積的RDOM進入長周期(平均5 000年)儲碳[18].這一新興儲碳機制于2010年首次提出并被廣泛關注[21].該理論一定程度解釋了1968年美國科學家針對海洋這一巨大RDOM庫形成過程和機制的“難解之謎”[22].本文回顧自MCP理論提出后近10年關于其過程機制的研究進展.

1 MCP介導的RDOM解析方法和化學分子特征

MCP是以“微型生物(浮游植物、細菌、古菌、病毒、原生動物等)介導DOM轉化”為核心的理論機制，因此研究微型生物生態過程和DOM組分的關系對深入探索MCP至關重要.DOM常指可被孔徑為0.2 μm濾膜(或平均孔徑為0.75 μm的玻璃纖維濾膜)濾過的有機質.自20世紀中葉開始，海洋中巨大的DOM庫的形成原因、惰性機制和分子結構特征引發關注.色譜、質譜、光化學等傳統分析技術揭示海洋DOM呈現高度多樣化，不僅含有碳水化合物、氨基酸、多肽、蛋白質等微生物易于降解利用的活性DOM，還含有結構組成極其復雜多樣的未知組分.

海洋DOM庫中絕大多數都是復雜的天然RDOM，將其解析至單一組分是一項巨大的挑戰.DOM在水環境中的濃度極低，1 L深層海水所含DOM的碳量不足500 μg[18]，且具有極高的分子多樣性.運用超高分辨率質譜，如傅里葉變換離子回旋共振質譜(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry，FT-ICR MS)或靜電場軌道阱質譜(orbitrap MS)，可從海水DOM樣本中解析出成千上萬個化學分子式，每個分子式背后有多種結構可能[23].此外，由于海水無機鹽濃度高，分析DOM前通常需先將其濃縮并除去鹽分，以避免無機鹽干擾DOM離子化.固相萃取、反滲透和超濾等技術被廣泛運用于濃縮DOM并除鹽，然而這些技術均無法完整回收所有DOM[24]，使得解析RDOM的分子組成和結構信息成為海洋學研究的難題.

現有研究對RDOM的解析仍多集中于混合物水平.早期研究發現表層與深層海水中DOM的化學特征具有很大差異：表層海水多含活性有機質，如胞外多糖和小分子氨基酸等物質；而深海富含未知的難降解DOM[25-27].水體中小部分的天然DOM帶有發熒光基團，如芳香氨基酸、色素以及分子組成和結構復雜的木質素、腐殖酸和黑碳等，可在給定激發光的刺激下發生分子內電子能量躍遷，因此釋放的熒光可被捕獲解析.基于此原理，激發發射矩陣(excitation emission matrix，EEM)熒光光譜被廣泛運用于天然DOM的研究[28].EEM熒光光譜可鑒定出若干類具有相似熒光特性的溶解有機質(fluorescent DOM,FDOM)，典型物質如相對活性的類蛋白質和相對惰性的類腐殖質組分[29-30].越來越多的生物降解實驗證實：類蛋白質FDOM可快速被微生物降解利用，產生一些相對惰性的類腐殖質FDOM信號[31-32].對海洋水柱中FDOM組分的空間分布調查發現：表層海水含有更多的活性FDOM信號，如類蛋白和氨基酸組分；而深海中富集更多的惰性FDOM信號，如類腐殖有機質[30,33].這種分布規律受控于物理和生物機制的共同作用：類腐殖質FDOM容易受到光降解(或紫外光漂白)而不易在海洋真光層累積，但可通過MCP的作用產生并累積至黑暗的海洋深部[34-36]；類蛋白質FDOM主要來源于浮游植物的光合產物且容易被微生物降解，因此在海洋表層可檢出較高的信號豐度，在海洋深層的信號強度更低，整體分布規律與類腐殖質FDOM相反[35,37].

21世紀初以來，FT-ICR MS逐漸被一些歐美國家和我國的研究人員應用于天然DOM的解析和比對[38-40]，提供了指紋圖譜信息和預測DOM的結構信息[41-42].核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)結合FT-ICR MS從一定程度上解析出一類典型的RDOM復合物，它們具有相似的化學結構特征，即主體呈環烷狀且側鏈富含羧基，因此被稱為富羧基不飽和脂環族化合物(carboxyl-rich alicyclic molecules，CRAM)[43-44].CRAM也被認為是類腐殖質的重要組成部分[45].Arakawa等[46]通過氣相色譜質譜聯用(gas chromatography-MS，GC-MC)和NMR等方法，解析出一類浮游植物色素(類胡蘿卜)的降解產物，該物質具有典型的芳香環頭部結合戊二烯尾巴結構特征，廣泛存在于海洋DOM中，碳-14定年法測得其循環周期大于1 500年，是一類典型的生源(即生物產生的)化合物降解產生的RDOM.此外，Zhao等[47]等結合FT-ICR MS、NMR和EEM熒光光譜也解析出一種生源DOM——熒光藻膽色素降解產物，其與深海RDOM組分對比顯示出分子組成上的高度一致性.以上研究均采用多種分析技術手段結合生物分析途徑解析生源RDOM的信息，證實了浮游植物有機質是RDOM的重要來源[21].借助FT-ICR MS，越來越多的實驗表明微生物可代謝的簡單有機質(如葡萄糖和寡肽等)或復雜有機底物(如沉積物有機質、浮游植物細胞破碎物和大型海藻等)為惰性CRAM組分，在培養體系中存在累積效應[32,48-50]，證實了生源RDOM分子對海洋天然RDOM庫的貢獻，也從微生物生態和分析化學角度證實了10年前提出的MCP理論.

MCP理論在提出之初被認為不僅是一個生態學理論，更闡述了許多有待驗證的過程細節，如：微生物和DOM如何相互作用產生RDOM?病毒顆粒如何侵染宿主釋放DOM而影響儲碳？原生動物的捕食作用如何影響有機碳的歸宿和RDOM的生成？這些問題早期均未有明晰的答案，越來越多的研究在一定程度上作出了解釋.

2 微生物與DOM的相互關系

與海洋DOM類似，天然微生物種群也具有極高的物種豐富度和功能多樣性，在不同海區、水團、深度等具有明顯的分布差異，同一海區不同季節也顯著不同.深入闡釋海洋微生物與DOM分子組成之間的耦聯關系是解釋微生物吸收-轉化-釋放DOM的重要途徑，也是揭開MCP產生RDOM主動過程(即浮游植物化合作用胞外分泌RDOM和異養細菌轉化過程)的關鍵[21,51].

近5年來，相關研究揭示海洋微生物群落對海洋DOM庫的組成和變化具有重要影響.病毒裂解超微型藍細菌所產生的DOM與微生物群落具有顯著的共變關系，異養微生物進一步降解過程可促使DOM向惰性轉變[52].在自然環境中DOM的多樣性與惰性均會隨著時間推移而增加，這一過程與微生物的降解和轉化密不可分[53-54].在開闊大洋寡營養海水中，浮游植物釋放出多樣化的有機分子，這些有機分子的碳、氮、磷元素占比通常較低，經過微生物的連續降解和不斷改造，DOM的多樣性、惰性和碳、氮、磷元素占比均進一步增加[55-57].在空間分布上，沿北海(North Sea)經度斷面的DOM分子組成與微生物群落組成研究展示了活躍微生物群落與活性DOM之間的耦聯關系[58].此外，Osterholz等[59]對特拉華灣(Delaware Bay)的DOM組成與微生物群落耦聯關系的研究發現：DOM分子組成相對于微生物群落具有更高的穩定性.可見在不同時空尺度上，海洋微生物與DOM的相互作用關系對巨大的海洋DOM庫產生重要影響.

微生物對DOM的利用和轉化受其生理特征和生化途徑的制約，不同微生物類群所介導的DOM轉換過程和最終產物也不盡相同，不同微生物對底物有不同的選擇傾向.在富含活性有機質的環境中，玫瑰桿菌(Roseobacter)傾向于利用碳水化合物，而浮游細菌SAR11類群主要以氨基酸等富含有機氮的DOM為底物[60].異養細菌在改造病毒裂解超微型藍細菌所產生DOM的過程中，γ變形桿菌(Gammaproteobacteria)和黃桿菌(Flavobacteria)與較大分子質量的DOM顯著相關，暗示這些微生物傾向于利用較大的DOM分子，并釋放較小的DOM分子以供其他微生物類群生長代謝，這種DOM選擇機制有利于有機質的轉化[51].在近岸羅斯基勒(Roskide)峽灣中，β變形桿菌(Betaproteobacteria)與類腐殖質DOM存在顯著的相關性，暗示該類群對這類DOM有利用潛能[61].而在寡營養的開闊大洋中，交替單胞菌(Alteromonas)、海綿菌(Spongiibacteraceae)、泉古菌(Crenarchaeota)和廣古菌(Euryarchaeota)均能氧化相對惰性的富含羧基DOM[62]，其中海綿菌被歸類為寡營養生物，其可以將甾體等相對難降解的化合物代謝為更難降解的惰性有機質[63]，表明這種生長緩慢的微生物可代謝半惰性DOM并釋放更加惰性的DOM，這預示著MCP的過程機制還包含將相對惰性的有機質改造得更加惰性，使水體中的RDOM成為惰性連續體(recalcitrant continuum)[49,64-65].此外，在黑暗海洋中，分布廣泛的浮游細菌SAR202和SAR11兩大微生物類群被認為在改造半惰性DOM過程中發揮重要作用[66，62].特別是Landry等[66]發現：SAR202類群包含多個編碼核黃素單核苷酸或F420-依賴性單加氧酶的基因，其中多數被預測屬于Ⅱ型Baeyer-Villiger單加氧酶，主要催化氧原子插入脂環烷烴結構；這些酶在分解代謝固醇類有機質的途徑中與其他酶家族發揮互補作用，表明部分SAR202類群可能是催化一些半活性有機質(如固醇類物質)轉化為惰性有機質CRAM的關鍵.

化能自養微生物也被證實是RDOM的重要來源.厭氧氨氧化古菌特別是奇古菌(Thaumarchaeota)屬于典型的化能自養氨氧化古菌，可在培養中產生相當數量的活性有機質(如氨基酸、多肽、碳水化合物及飽和脂肪酸等)和部分類似CRAM的惰性分子，預示這些古菌在黑暗海洋中的化能自養作用不僅提供活性DOM用于異養微生物的生長代謝，更為深海碳庫提供了直接的RDOM來源[67].Zhang等[68]的最新研究發現黑暗深海中氨氧化古菌和亞硝氧化細菌具有顯著不同的代謝策略，并揭示了硝化作用與黑暗固碳耦合的生理生態學機制，為量化深海物質與能量循環的研究提供了新參數.綜上可見，微生物群落在功能上“多才多藝”，其在對DOM吸收、轉化、釋放的過程中影響有機碳循環(如從活性到惰性的過程)和深海RDOM的多樣性，對海洋巨大的DOM庫產生極其重要的影響.

3 病毒在MCP中的作用

病毒是海洋中豐度最高的生命粒子，其中裂解性病毒侵染宿主作用可導致部分(20%～40%)海洋微生物死亡，調控微型生物的群落結構和遺傳進化[69].宿主生物被病毒裂解后，釋放的有機物重新被環境中的微生物吸收利用，因此病毒能夠通過“病毒回路”作用影響有機碳在海洋微食物網中的通量和途徑[21,70-71].越來越多研究揭示了病毒裂解宿主后釋放的DOM的化學組成和進一步的生物地球化學效應.不同于浮游植物分泌的有機物，病毒裂解產物富含更多生物活性的蛋白類有機物[72].Ma等[73]利用高分辨率MS比較病毒裂解性產物和浮游植物分泌物的組分差異，發現病毒裂解產生的DOM組分更復雜且更容易被微生物利用，是海洋中高分子質量(>1 000 ku)溶解有機氮化合物的重要來源.此外，不同病毒種群裂解特定宿主得到的有機物在成分上也有所不同[74].Zhao等[47]發現富含氮的病毒裂解性產物是海洋DOM庫的重要來源，并可能在深海里持續累積和儲存.Zheng等[75]利用FT-ICR MS等方法分析發現，病毒裂解海洋微型“初級生產者”(浮游植物)產生了大量含氮類有機質如氨基酸、寡肽、蛋白質等，也產生了小分子有機酸、核苷酸、脂類、生物胺、卟啉等，這些活性物質可為異養生物繁殖代謝提供能量，也調控海洋碳循環途徑.培養實驗也表明病毒裂解產物能被自然微生物群落快速利用，而小部分有機物組分能抵御微生物的降解，驗證了MCP理論中“病毒裂解產物也是海洋RDOM的重要來源之一”這一推測[21].因此，病毒裂解宿主調控有機碳的歸宿，稱為MCP的被動過程[21,51]，在海洋碳循環中發揮重要的作用.

病毒侵染策略的生態重要性也得到了更好的認識.不同于裂解性侵染，病毒還會通過溶原性侵染將自身整合到宿主的基因組中，并隨著宿主的復制而復制，在避免外界各種環境因子對病毒顆粒產生脅迫的同時，也避免了宿主的裂解死亡，進而影響宿主群落的動態變化和結構，并影響微生物對有機物的利用[76-77].這一過程影響了有機碳的歸宿.如在河口生境從大潮到小潮的轉化過程中，病毒群落會從裂解性侵染向溶原性侵染轉換，在降低病毒降解率的同時也能促進細菌的生存，促使碳量向高營養級傳遞而非被裂解釋放到環境中[78].綜合多方面的數據，Knowles等[79]提出了“Piggyback-the-Winner”假說，認為環境中微生物豐度的增加會驅使病毒從裂解性侵染向溶原性侵染轉換，并通過溶原性侵染影響宿主的群落結構和代謝.Chen等[80]進一步發現病毒的高溶原性侵染會抑制微生物群落的多樣性，而溶原性侵染向裂解性侵染轉換則會殺死群落里的高豐度類群，給原本的稀有類群提供生長機會，最終促進宿主群落的多樣性，揭示了新的“Piggyback-the-Winner”和經典的“Kill-the-Winner”病毒侵染模式在時間尺度上存在相互轉化并共同發揮作用.此外，有研究發現在白令海(Bering Sea)次表層沉積物中，病毒從溶原性侵染向裂解性侵染的轉化能夠增加環境中20%～56%的DOM、復合單糖和氨基酸的含量，且50%以上產生的有機物能被微生物在培養過程中持續利用和轉化[81].這些過程體現了病毒適應環境所展現出的不同生存和生態策略，而這些策略對MCP的碳轉化機制影響的研究有待深入開展.

最新研究發現病毒顆粒自身可能直接影響海洋的碳循環過程.作為有機物的復合體，病毒顆粒的降解向周圍環境釋放有機碳和營養元素[82].據最新研究統計，病毒顆粒在海洋中的總數量達到1.4 × 1030，有機碳總量可達32 Tg，這些有機碳若釋放到環境中，將為微生物群落提供豐富的營養物質[83].據估算，深海沉積物生境中的病毒會降解宿主，每年釋放37～50 Mg有機碳到環境中，其總量相當于上層海洋光合作用產物通過沉降到達深海沉積物碳量的(3±1)%[84].此外，這些高豐度的病毒顆粒能夠被原生動物直接攝食，貢獻了原生動物的有機物食物來源，直接進入高營養級的海洋食物鏈而非進入“微食物環”，進而影響海洋碳流的途徑[83,85].近年來發現還存在一種“病毒穿梭”機制，能夠通過促進顆粒有機物的富集和沉降，從而提高POM從上層海洋沉降到深海并儲存的效率[86-87].Tian等[88]和Zhang等[89]發現沉降到深海的上層海洋病毒仍具有侵染活性，對深海微生物類群的動態變化和群落結構具有重要影響.因此，病毒不僅在MCP中扮演重要角色，更協同BP在生物地球化學中發揮重要作用.

病毒侵染對宿主生理狀態和代謝機制的影響也已得到更直接的證據.被病毒侵染后的宿主會重新調整細胞內的代謝通路來促進病毒顆粒的復制和釋放[87].如病毒侵染光合自養微生物后會抑制宿主體內的有機碳固定過程，并促進戊糖磷酸代謝，進而促進病毒顆粒所需核酸的合成[90-91].在侵染過程中，病毒攜帶的輔助宿主代謝基因(auxiliary metabolic genes，AMGs)也可能直接影響到宿主的代謝過程.隨著純病毒株和病毒宏基因組序列庫的不斷擴展，越來越多的AMGs被發現，病毒對宿主的碳代謝、營養物質如氮磷硫的循環、脂肪酸代謝、光合作用、蛋白質合成、細胞膜與囊泡的形成等過程都具有重要的潛在貢獻[92-94]，進而在各方面直接影響病毒在海洋碳循環過程中所扮演的角色.

病毒在MCP儲碳和全球碳循環中發揮的作用遠超想象，期待更多未知過程在不斷深入的研究中被發現.Cai等[32]近期的研究指出：病毒侵染作用可調控微生物群落，釋放微生物體細胞內含物以供給異養細菌群落.正是病毒這種“Kill-the-Winner”的生態策略促進了微生物群落的演替，加速了活性有機質向RDOM轉化，使得碳循環在生物介導的過程中盡可能“轉動”起來.這也印證了Jiao等[49]對MCP機制的補充，即微生物群落的演替對于有機質的轉化至關重要，而病毒生態正是調整群落演替的關鍵因素之一[95].因此，病毒對碳循環的作用不容忽視.

4 原生生物在MCP中的作用

與細菌、古菌、病毒等微生物相似，原生生物也在時刻影響著海洋碳循環，在MCP過程機制中扮演重要角色[21].根據五界系統理論，真核生物中除植物、動物、真菌外的所有生物均屬原生生物界(Protista).已有研究表明原生生物并不形成單系，而是散布于整個真核生物的各大進化支[96].其種類繁多，至今尚無統一的形態學特征來定義這一類群.目前被業內學者普遍接受的定義為：能夠獨立生存的單細胞或群體真核生物[97].原生生物具有多樣性高、結構功能復雜和分布廣泛等特點，是海洋微型浮游生物群落的重要組成部分，在維持海洋生態系統結構與功能中發揮重要作用.原生生物功能類群一般可簡單劃分為具有光合自養能力的原生植物和具有異養能力的原生動物.

海洋原生植物的光合作用貢獻了約全球50%的初級生產力[98]，是有機碳循環的第一步，也為驅動MCP提供了能源物質[21].一般認為，無論是近岸還是遠海，原生植物(如硅藻、綠藻和甲藻等微型真核藻類)由于具有比單細胞藍藻更大的粒徑和與之相似(甚至更高)的生長率，對海洋初級生產力的貢獻超過海洋中其他光合生物[99]，其形成的生物量是通過BP沉降作用的POM向深海儲藏的重要輸出者[100-101]；同時，藻類生長過程中所釋放的DOM可被異養細菌快速吸收利用，經細菌轉化后的有機質貢獻于海洋RDOM庫[102].

異養原生動物(如微型異養鞭毛蟲和纖毛蟲等)通過攝食細菌與微藻將碳及其他元素經微食物環傳遞至經典食物鏈，在微食物環能流與元素循環中發揮重要作用，如原生動物可攝食約62%藻類和25%～100%細菌的日生產量[103].同時，原生動物攝食過程中通過排泄與分泌所釋放的物質中含有DOM，如尾絲蟲(Uronemasp.)和游仆蟲(Euplotessp.)兩種纖毛蟲在實驗室培養條件下能分別將其所攝食細菌碳量的9%和3%以DOM的形式釋放，調控碳分餾[104].在另一培養實驗中發現，纖毛蟲Strombidinopsisacuminatum和甲藻Oxyrrhismarina可通過攝食作用釋放16%～37%的藻類碳量[105]；在異養鞭毛蟲攝食細菌的實驗中發現，攝食活動可釋放惰性大分子有機質[106].因此，原生動物的攝食活動是包括RDOM在內的海洋DOM的重要來源之一，印證了MCP理論中原生生物的作用.

在相當長一段時間里，光合自養與異養被認為是原生生物僅有的兩種營養方式.然而，Bird等[107]研究發現很多原生生物具有混合營養能力，這為生物參與碳循環提出了新的研究方向.原生生物主要包括兩種混合營養模式：1) 某些能進行光合作用的藻類可進行吞噬營養[108]；2) 某些進行異養生活的原生動物可攝食藻類，將其部分消化，但保留其質體(葉綠體)并在原生動物體內進行光合作用[109].混合營養模式的發現改變了海洋物質循環與能流的經典模型.大西洋混合營養模式的藻類可攝食約37%～95%的細菌生產量[110]；基于模型的研究發現，將混合營養模式納入食物網后，橈足類通過捕食所能獲取的微型浮游動物的生物量是沒有混合營養模式條件下的2倍[111].混合營養模式不僅對物質在營養級間的傳遞影響很大，也影響水體中DOM的組成.Tranvik等[112]比較了一種具有混合營養能力的金藻Poterioochromonasmalhamensis在光合自養及異養(即攝食細菌)條件下所分泌的溶解及膠狀有機碳，發現異養比光合自養條件下釋放更多粒徑>0.02 μm的膠質顆粒，且異養條件釋放的DOM具有更高的生物惰性.

綜上，原生生物尤其是混合營養原生生物，在海洋生態系統包括碳在內的元素循環中(如營養級間的傳遞對海洋DOM庫，尤其是RDOM庫)發揮重要作用.然而，目前混合營養原生生物的研究仍有較大不足，亟待開展深入的研究以補充關鍵性數據，進一步揭示原生生物在海洋碳循環中的作用.此外，雖然原生生物在MCP的過程機制中同時包含“主動過程”(即一些浮游植物光合作用后直接釋放的DOM中含有惰性成分)和“被動過程”(即原生生物分泌或排泄的代謝產物中含有RDOM)[21]，原生動物攝食作用被證實改變了碳流(如微食物環作用調整POM為DOM)，但是并無明確的研究指出這種過程是否產生RDOM.因此，無論是原生生物中浮游植物分泌的DOM，還是原生動物攝食作用產生的DOM，其分子組成都亟待研究.近10年來光分析化學、超高分辨MS分析和高場NMR分析技術的發展和融合，為這一研究提供了充分的基礎.早在2006年，Gruber等[113]發現培養體系中有無原生動物捕食行為介入的情況下，其碳轉化方式顯著不同.然而，目前仍不明確原生動物的攝食作用是否類似于病毒的“Kill-the-Winner”作用，即調控微生物群落結構和釋放“被攝食者”的有機碳，進而促進活性有機質向RDOM轉化并影響碳循環.

基于上述MCP理論提出10年來的研究進展，MCP的過程與機制總結于圖2.

5 展 望

經過10年的研究，MCP理論框架得到了細化和完善，已被應用于解釋海洋碳匯通量與氣候變化的關系[9,114].此外，MCP被認為不僅適用于水體，也適用于解釋土壤環境[115]及海洋沉積物[116]的儲碳過程；MCP概念以及基于MCP的陸海統籌近海增匯和養殖區增匯路徑也被納入IPCC特別評估報告[1].

由于MCP過程機制的復雜性和應用潛力，其研究仍需進一步深入.基于現有研究進展，提出未來研究方向如下：1) MCP產物RDOM組分和化合物結構的解析，以及對應微生物功能類群吸收、胞內轉化、釋放這些RDOM的機制；2) RDOM在不同環境(河口、近海、開闊大洋表層、中層和深層帶)的通量；3) 黑暗深海和低(缺)氧海區微生物和RDOM的動態變化及其碳匯效應；4) 古海洋MCP與氣候變化的關系、未來海洋MCP效應的變化趨勢及其對氣候的調控作用[117]；5) 基于MCP的跨學科(生物-化學-物理-沉積)“負排放”對“碳中和”的潛力[118].

致謝：感謝MCP理論提出人焦念院士對本文的啟發，及周文楚對繪圖的幫助.

圖2 MCP過程與機制Fig.2 Processes and mechanisms of MCP