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SCIENCE杂志报道焦念志教授的研究成果——《巨大碳库的幕后推手》


NEWSFOCUS:  An invisible hand behind the vast carbon reservoir 

 

    2010618日出版的Science杂志(Science 18 June 2010: Vol. 328. no. 5985, pp. 1476 – 1477)用两页的篇幅报道了焦念志教授研究组及其领导的国际海洋科学委员会134工作组有关海洋微型生物碳泵的研究成果。报道全文请见SCIENCE主页:http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/328/5985/1476

 

       对于海洋微生物而言,溶解有机碳(DOC)是其生命的支撑。然而,大部分DOC就像谷糠一样难以下咽而残留在水中。科学家们正在揭示为什么海洋食物链中有些有机质被转化为不易被释放为CO2的形式。“我们早就知道海洋中存在着这种‘难以降解’的有机碳,但是直到最近才意识到它在全球碳循环中的作用。” 捷克Trebon微生物研究所的微生物学家Michal Koblizek介绍说。

       新的发现揭示,海洋中有一个看不见的过程使巨量的碳悬浮在海面以下的水体中。“这个碳库非常之大,与大气CO2的总量相当”,厦门大学的微型生物生态学家焦念志介绍说。焦念志等科学家正在探索这个碳库储存CO2的诱人前景。确定这个巨大储库是否有地球工程学响应为时尚早,佛罗里达州迈阿密大学的海洋生物地球化学家Dennis Hansell说,“但我期待有一天茅塞顿开,到那时我们将惊呼‘原来如此!’”。

       数次海洋调查的研究数据业已展现出焦念志提出的“微型生物碳泵”(Microbial Carbon Pump,MCP)的基本轮廓:即微型生物驱动了从生物可利用的活性有机碳到“难以消化的”即惰性DOC的转化。今年夏天,欧洲海洋酸化计划正在北极海区开展一系列探索性实验,其中包括“微型生物碳泵”。十月,焦念志课题组将向另一极进发,前往赤道附近的最热海域——印度-太平洋暖池——进行“微型生物碳泵”及其储碳机制的研究。“微型生物碳泵”将是7月份召开的戈登海洋微生物研讨会的重头戏,Nature 子刊微生物学综述将发表文章介绍“微型生物碳泵”概念。法国Villefranche海洋学实验室的微生物海洋学家Markus Weinbauer指出,这个概念“将大大改变我们对(海洋)储碳的认识。”

                         

焦念志在AAPB的研究基础上建立了“微型生物碳泵”概念。 AAPB是一种独特的具有光合功能的细菌(右图)

       海洋表面就像一个大如星球的肺,吸入和呼出CO2。 就全球平均而言,海洋从大气中吸收的CO2比释放的多2%。一部分CO2溶解在水中形成了碳酸。随着大气CO2含量升高,海洋PH值下降,科学家们将这种现象称为酸化,海洋酸化可通过降低碳骨架的生长而危害到珊瑚及其它生物。CO2进入海洋另一途径是食物网:浮游植物通过光合作用将CO2固定形成有机碳,数量高达每年600亿吨碳,相当于陆地上固碳总量。“海洋不能长期捕获这些碳”Koblizek说,大部分新形成的生物质在几天内就被消耗,并以CO2的形式返还到大气中。但是,有一部分碳随着死亡生物体的残骸沉到海底,这种生物泵每年在海底沉淀了大约3亿吨碳。

       而更多的碳是以DOC溶解在水体中。海洋以DOC的形式保有大约7千亿吨碳——比陆地上所有的生物量还多(6千亿吨碳),几乎与大气中碳总量相等(7.5 千亿吨碳)。大约95%的有机碳是以惰性DOC形式存在。“这种惰性DOC是海洋中有机物质的最大储库”,加利福尼Scripps海洋研究所的微生物学家Farooq Azam说。在2009年12月出版的《Oceanography》中, Hansell和加州大学Santa Barbara分校的Craig Carlson领导的团队绘制了第一张DOC全球分布图。14C研究表明惰性化合物在海洋中保存的时间超过了6000年,这是大洋环流周期的好几倍。

       惰性DOC是全球碳循环中的关键环节这一认识使探求惰性DOC成分与来源成为研究热点。研究人员现在已经知道,惰性DOC由上千种混合物组成,诸如复杂的多糖及腐殖酸等。西班牙维哥海洋研究所的Xosé Antón álvarez Salgado领导的团队追踪到某些形式的生物活性碳转变到惰性碳的过程,他们是通过观察光学性质改变的方法,即腐殖性物质吸收紫外光再重新发射出具有特定波长的蓝色荧光。

       大部分惰性DOC的来源还是个未知数。海洋表面的光降解可产生一些惰性DOC,石油的泄露对这个碳库也有贡献。“墨西哥湾的石油泄露是石油入海的一个极端例子”来自德国奥尔登堡大学的微生物海洋学者Meinhard Simon说。其它混合物可能在海底泉口或森林大火中形成并进入海洋。然而对于大部分的惰性DOC来源,Azam指出,“我们缺乏对它形成机制或数量及成分变化的了解。”

 

双管泵  (生物泵每年通过深海沉降作用储存约3亿吨的碳,而更多的碳以DOC的形式滞留在水体中,其中大部分DOC通过微型生物碳泵被转变成惰性。)

       Azam及其他同行将这种关键性认识归功于焦念志:即,认识到微型生物在把可利用碳转变成相对惰性化合物的过程中扮演着主导性角色。一部分惰性DOC滞留在海洋上层,而另一部分可随生物泵进入深海。“微型生物碳泵可能像一个传送带在海洋深层运输并储存碳” 台湾中山大学海洋碳化学家陈镇东说。“微型生物碳泵”在深海中也起作用,在深海中适应了高压环境的细菌可能具有“特殊的能力”转化惰性DOC,法国马赛海洋学中心的微生物学家Christian Tamburini说。

      要揭开微生物与惰性DOC的关系需要敏锐的洞察力。在2001年发表的一篇标志性的文章里,东京大学的Hiroshi Ogawa及其同事的研究表明海洋微生物能够将生物活性DOC转变为惰性DOC。接着一个月后,加利福利亚蒙特雷湾水生生物研究所(现地址)的Zbigniew Kolber及其同事也报道,在大洋表层有一种独特的具有光合作用的细菌AAPB占总微生物群落的11%,通过测量该菌的光吸收色素所产生的红外荧光值发现,似乎到处都分布有这些AAPB细菌。

       但事实上,其他微型生物的存在可导致AAPB上述测量与实际情况有严重偏差。焦念志研究组利用一种新技术,证明浮游植物的强荧光会屏蔽掉目标微生物的荧光。“月明星稀就是这个道理”焦念志解释说。就在2005年中国举行纪念郑和下西洋600周年活动的环球航次上,焦念志把这种新方法付诸应用,结果表明,AAPB的分布与之前的认识相反。他的研究组发现AAPB在富营养海域的分布比大洋更加丰富,而且AAPB的丰度与DOC相关,而不是光照。

       接下来,焦念志发现AAPB易于被病毒感染,他们分离出了第一个特异感染AAPB的噬菌体。噬菌体分裂宿主细菌,使包含有机碳的菌体崩解并释放到水中。这种“病毒回路”作用于许多海洋细菌,可能在“惰性DOC在水体中的累积”中发挥着重要的作用,田纳西州立大学的Steven Wilhelm说。把这些因素综合起来考虑,包括AAPB的普遍存在性,AAPB的低丰度、高周转率,与DOC的紧密关联以及易于被感染等等,焦念志提出AAPB等微型生物是生物活性DOC转变成惰性DOC的关键机制。看起来这似乎违反常理,因为微型生物并不是生来就为了产生惰性DOC的,相反,这些复合物是微生物死亡的副产物。Simon 说,“这个过程对细菌本身并没有什么益处”。

      由于水体中惰性DOC的形成是附属性的,驯化细菌去储碳将不是一件容易的事。几十年来研究者们试图通过向海洋中添加铁肥来促进生物泵从而使深海储存更多的碳。铁能引起浮游植物生长,使其从空气中吸收更多的CO2。这样应该也能使更多的碳进入惰性碳库中,Koblizek说到。

       无论如何,“微型生物碳泵”将有意义深远的效应。海洋水体的每升水平均DOC含量为35-40微摩尔。如果每升水增加2到3微摩尔碳将多存储几十亿吨的碳,印度国家海洋研究所的海洋微生物生态学家Nagappa  Ramaiah说,“我们有必要研究任何一种、和所有的方法去沉积过量的大气CO2”。

      20亿年前,当细菌统治地球时,海洋存储的DOC是现在的500倍,这些DOC很可能就是“微型生物碳泵”产生的(惰性DOC),焦念志说。虽然从那时起生态动力学已经发生了巨大的变化,但是微生物储碳的潜力依然巨大。焦念志指出,没有化学平衡能限制活性DOC向惰性DOC的转化,而惰性DOC的产生,也不会导致海洋酸化。今年夏天他准备进行一个导向性实验。同时,Ramaiah说他正筛选海洋细菌菌种以期提高储碳的潜能。

      没有简单的解决方案,有的科学家还不确定这是否可行及安全 。“我不认为可以利用微型生物碳泵来提高海洋储碳性能”,Simon说,我们没有能控制惰性 DOC如何产生的措施。Weinbauer说,“以目前的认识,任何提高储碳的努力就像飞去来器一样可能回到起点并使问题变得更糟。” 与此同时,人们可能已经“不经意地刺激了‘微型生物碳泵’”,Salgado说,全球变暖正加剧海洋分层,降低了深层对流,刺激了微生物的呼吸作用——这一切都有利于“微型生物碳泵”, Salgado说。

    “微型生物碳泵”概念将有助于解答这些至关重要的问题,例如,是否海洋酸化及变暖会显著地使碳分馏到惰性DOC,Azam说。他和焦念志共同主持国际海洋研究科学委员会SCOR新设立的科学工作组,旨在研究“微型生物碳泵” 在碳生物地球化学中的作用。即将进行的研究航次将提供更多信息阐释“微型生物碳泵”怎样控制碳循环以及怎样响应气候变化。正如Wilhelm所说,“我们已经看到了建立这种认知的曙光。”

RICHARD STONE

SCIENCE   VOL 328    18 JUNE 2010



| 发布时间:2011.01.14    来源:    查看次数:4821
 
     
 
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