微型生物碳泵研究進(jìn)展

蔡阮鴻，鄭 強(qiáng)，陳曉煒，徐大鵬，王 煜，駱庭偉，張 銳

(廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院，近海海洋環(huán)境科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建省海洋碳匯重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海洋微型生物與地球圈層研究所，福建 廈門 361102)

人類活動(dòng)正從多時(shí)空尺度上影響著地球系統(tǒng).政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)特別評(píng)估報(bào)告[1]以及相關(guān)研究成果均指出：自工業(yè)革命以來(lái)，人類活動(dòng)(以石化能源燃燒為主)導(dǎo)致了大氣中溫室效應(yīng)氣體濃度顯著增加[2].以二氧化碳(CO2)為主的溫室效應(yīng)氣體的激增導(dǎo)致全球變暖和海洋酸化，改變了生態(tài)系統(tǒng)和地球各碳庫(kù)之間的平衡[3-6].地球各圈層碳庫(kù)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(chǔ)碳量(含有機(jī)和無(wú)機(jī))超過(guò)380 000億t，是地球表面最大的活躍碳庫(kù)，是大氣碳庫(kù)的近50倍、陸地碳庫(kù)的近20倍[6,9-10].自工業(yè)革命以來(lái)，近1/3人類活動(dòng)排放的CO2被海洋以物理、化學(xué)、生物的機(jī)制吸收和儲(chǔ)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(chǔ)存大氣CO2至深層海洋，當(dāng)時(shí)間尺度達(dá)百年甚至千年時(shí)，即可起到減緩大氣CO2壓力而調(diào)節(jié)氣候的作用.目前已知的3種海洋儲(chǔ)碳機(jī)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(dǎo)無(wú)機(jī)碳封存，可從化學(xué)海洋學(xué)和物理海洋學(xué)角度解釋海洋維持溶解無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)碳的水輸送至海洋深部(主要發(fā)生在北大西洋高緯度地區(qū))，貢獻(xiàn)無(wú)機(jī)碳至近380 000億t的海洋巨大溶解無(wú)機(jī)碳庫(kù)[12].

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

圖1 海洋三大儲(chǔ)碳機(jī)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(jī)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(zhǎng)達(dá)5 000年[16-17]，被稱為惰性溶解有機(jī)質(zhì)(recalcitrant DOM，RDOM).有別于BP介導(dǎo)的POM沉積，海洋中RDOM庫(kù)的儲(chǔ)量巨大，儲(chǔ)碳量近6 600億t[18]，接近大氣CO2的總儲(chǔ)碳量.研究表明巨大的RDOM庫(kù)的儲(chǔ)量變化影響著全球氣候[7,19-20].新提出的MCP儲(chǔ)碳機(jī)制(圖1右)闡述了通過(guò)微型生物活動(dòng)將活性溶解有機(jī)質(zhì)(labile DOM,LDOM)轉(zhuǎn)化為RDOM的生態(tài)過(guò)程，具體包括異養(yǎng)微生物代謝轉(zhuǎn)化、病毒裂解宿主生物、原生動(dòng)物捕食微型生物等[9,18]，累積的RDOM進(jìn)入長(zhǎng)周期(平均5 000年)儲(chǔ)碳[18].這一新興儲(chǔ)碳機(jī)制于2010年首次提出并被廣泛關(guān)注[21].該理論一定程度解釋了1968年美國(guó)科學(xué)家針對(duì)海洋這一巨大RDOM庫(kù)形成過(guò)程和機(jī)制的“難解之謎”[22].本文回顧自MCP理論提出后近10年關(guān)于其過(guò)程機(jī)制的研究進(jìn)展.

1 MCP介導(dǎo)的RDOM解析方法和化學(xué)分子特征

MCP是以“微型生物(浮游植物、細(xì)菌、古菌、病毒、原生動(dòng)物等)介導(dǎo)DOM轉(zhuǎn)化”為核心的理論機(jī)制，因此研究微型生物生態(tài)過(guò)程和DOM組分的關(guān)系對(duì)深入探索MCP至關(guān)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(guò)的有機(jī)質(zhì).自20世紀(jì)中葉開始，海洋中巨大的DOM庫(kù)的形成原因、惰性機(jī)制和分子結(jié)構(gòu)特征引發(fā)關(guān)注.色譜、質(zhì)譜、光化學(xué)等傳統(tǒng)分析技術(shù)揭示海洋DOM呈現(xiàn)高度多樣化，不僅含有碳水化合物、氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)等微生物易于降解利用的活性DOM，還含有結(jié)構(gòu)組成極其復(fù)雜多樣的未知組分.

海洋DOM庫(kù)中絕大多數(shù)都是復(fù)雜的天然RDOM，將其解析至單一組分是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn).DOM在水環(huán)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(yùn)用超高分辨率質(zhì)譜，如傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry，F(xiàn)T-ICR MS)或靜電場(chǎng)軌道阱質(zhì)譜(orbitrap MS)，可從海水DOM樣本中解析出成千上萬(wàn)個(gè)化學(xué)分子式，每個(gè)分子式背后有多種結(jié)構(gòu)可能[23].此外，由于海水無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)鹽干擾DOM離子化.固相萃取、反滲透和超濾等技術(shù)被廣泛運(yùn)用于濃縮DOM并除鹽，然而這些技術(shù)均無(wú)法完整回收所有DOM[24]，使得解析RDOM的分子組成和結(jié)構(gòu)信息成為海洋學(xué)研究的難題.

現(xiàn)有研究對(duì)RDOM的解析仍多集中于混合物水平.早期研究發(fā)現(xiàn)表層與深層海水中DOM的化學(xué)特征具有很大差異：表層海水多含活性有機(jī)質(zhì)，如胞外多糖和小分子氨基酸等物質(zhì)；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(fā)熒光基團(tuán)，如芳香氨基酸、色素以及分子組成和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的木質(zhì)素、腐殖酸和黑碳等，可在給定激發(fā)光的刺激下發(fā)生分子內(nèi)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(fā)發(fā)射矩陣(excitation emission matrix，EEM)熒光光譜被廣泛運(yùn)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(jī)質(zhì)(fluorescent DOM,FDOM)，典型物質(zhì)如相對(duì)活性的類蛋白質(zhì)和相對(duì)惰性的類腐殖質(zhì)組分[29-30].越來(lái)越多的生物降解實(shí)驗(yàn)證實(shí)：類蛋白質(zhì)FDOM可快速被微生物降解利用，產(chǎn)生一些相對(duì)惰性的類腐殖質(zhì)FDOM信號(hào)[31-32].對(duì)海洋水柱中FDOM組分的空間分布調(diào)查發(fā)現(xiàn)：表層海水含有更多的活性FDOM信號(hào)，如類蛋白和氨基酸組分；而深海中富集更多的惰性FDOM信號(hào)，如類腐殖有機(jī)質(zhì)[30,33].這種分布規(guī)律受控于物理和生物機(jī)制的共同作用：類腐殖質(zhì)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(guò)MCP的作用產(chǎn)生并累積至黑暗的海洋深部[34-36]；類蛋白質(zhì)FDOM主要來(lái)源于浮游植物的光合產(chǎn)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(hào)豐度，在海洋深層的信號(hào)強(qiáng)度更低，整體分布規(guī)律與類腐殖質(zhì)FDOM相反[35,37].

21世紀(jì)初以來(lái)，F(xiàn)T-ICR MS逐漸被一些歐美國(guó)家和我國(guó)的研究人員應(yīng)用于天然DOM的解析和比對(duì)[38-40]，提供了指紋圖譜信息和預(yù)測(cè)DOM的結(jié)構(gòu)信息[41-42].核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)結(jié)合FT-ICR MS從一定程度上解析出一類典型的RDOM復(fù)合物，它們具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征，即主體呈環(huán)烷狀且側(cè)鏈富含羧基，因此被稱為富羧基不飽和脂環(huán)族化合物(carboxyl-rich alicyclic molecules，CRAM)[43-44].CRAM也被認(rèn)為是類腐殖質(zhì)的重要組成部分[45].Arakawa等[46]通過(guò)氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)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(chǎn)物，該物質(zhì)具有典型的芳香環(huán)頭部結(jié)合戊二烯尾巴結(jié)構(gòu)特征，廣泛存在于海洋DOM中，碳-14定年法測(cè)得其循環(huán)周期大于1 500年，是一類典型的生源(即生物產(chǎn)生的)化合物降解產(chǎn)生的RDOM.此外，Zhao等[47]等結(jié)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(chǎn)物，其與深海RDOM組分對(duì)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(shù)手段結(jié)合生物分析途徑解析生源RDOM的信息，證實(shí)了浮游植物有機(jī)質(zhì)是RDOM的重要來(lái)源[21].借助FT-ICR MS，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)表明微生物可代謝的簡(jiǎn)單有機(jī)質(zhì)(如葡萄糖和寡肽等)或復(fù)雜有機(jī)底物(如沉積物有機(jī)質(zhì)、浮游植物細(xì)胞破碎物和大型海藻等)為惰性CRAM組分，在培養(yǎng)體系中存在累積效應(yīng)[32,48-50]，證實(shí)了生源RDOM分子對(duì)海洋天然RDOM庫(kù)的貢獻(xiàn)，也從微生物生態(tài)和分析化學(xué)角度證實(shí)了10年前提出的MCP理論.

MCP理論在提出之初被認(rèn)為不僅是一個(gè)生態(tài)學(xué)理論，更闡述了許多有待驗(yàn)證的過(guò)程細(xì)節(jié)，如：微生物和DOM如何相互作用產(chǎn)生RDOM?病毒顆粒如何侵染宿主釋放DOM而影響儲(chǔ)碳？原生動(dòng)物的捕食作用如何影響有機(jī)碳的歸宿和RDOM的生成？這些問(wèn)題早期均未有明晰的答案，越來(lái)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(guān)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(qū)、水團(tuán)、深度等具有明顯的分布差異，同一海區(qū)不同季節(jié)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(lián)關(guān)系是解釋微生物吸收-轉(zhuǎn)化-釋放DOM的重要途徑，也是揭開MCP產(chǎn)生RDOM主動(dòng)過(guò)程(即浮游植物化合作用胞外分泌RDOM和異養(yǎng)細(xì)菌轉(zhuǎn)化過(guò)程)的關(guān)鍵[21,51].

近5年來(lái)，相關(guān)研究揭示海洋微生物群落對(duì)海洋DOM庫(kù)的組成和變化具有重要影響.病毒裂解超微型藍(lán)細(xì)菌所產(chǎn)生的DOM與微生物群落具有顯著的共變關(guān)系，異養(yǎng)微生物進(jìn)一步降解過(guò)程可促使DOM向惰性轉(zhuǎn)變[52].在自然環(huán)境中DOM的多樣性與惰性均會(huì)隨著時(shí)間推移而增加，這一過(guò)程與微生物的降解和轉(zhuǎn)化密不可分[53-54].在開闊大洋寡營(yíng)養(yǎng)海水中，浮游植物釋放出多樣化的有機(jī)分子，這些有機(jī)分子的碳、氮、磷元素占比通常較低，經(jīng)過(guò)微生物的連續(xù)降解和不斷改造，DOM的多樣性、惰性和碳、氮、磷元素占比均進(jìn)一步增加[55-57].在空間分布上，沿北海(North Sea)經(jīng)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(lián)關(guān)系[58].此外，Osterholz等[59]對(duì)特拉華灣(Delaware Bay)的DOM組成與微生物群落耦聯(lián)關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)：DOM分子組成相對(duì)于微生物群落具有更高的穩(wěn)定性.可見在不同時(shí)空尺度上，海洋微生物與DOM的相互作用關(guān)系對(duì)巨大的海洋DOM庫(kù)產(chǎn)生重要影響.

微生物對(duì)DOM的利用和轉(zhuǎn)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(dǎo)的DOM轉(zhuǎn)換過(guò)程和最終產(chǎn)物也不盡相同，不同微生物對(duì)底物有不同的選擇傾向.在富含活性有機(jī)質(zhì)的環(huán)境中，玫瑰桿菌(Roseobacter)傾向于利用碳水化合物，而浮游細(xì)菌SAR11類群主要以氨基酸等富含有機(jī)氮的DOM為底物[60].異養(yǎng)細(xì)菌在改造病毒裂解超微型藍(lán)細(xì)菌所產(chǎn)生DOM的過(guò)程中，γ變形桿菌(Gammaproteobacteria)和黃桿菌(Flavobacteria)與較大分子質(zhì)量的DOM顯著相關(guān)，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(zhǎng)代謝，這種DOM選擇機(jī)制有利于有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化[51].在近岸羅斯基勒(Roskide)峽灣中，β變形桿菌(Betaproteobacteria)與類腐殖質(zhì)DOM存在顯著的相關(guān)性，暗示該類群對(duì)這類DOM有利用潛能[61].而在寡營(yíng)養(yǎng)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(duì)惰性的富含羧基DOM[62]，其中海綿菌被歸類為寡營(yíng)養(yǎng)生物，其可以將甾體等相對(duì)難降解的化合物代謝為更難降解的惰性有機(jī)質(zhì)[63]，表明這種生長(zhǎng)緩慢的微生物可代謝半惰性DOM并釋放更加惰性的DOM，這預(yù)示著MCP的過(guò)程機(jī)制還包含將相對(duì)惰性的有機(jī)質(zhì)改造得更加惰性，使水體中的RDOM成為惰性連續(xù)體(recalcitrant continuum)[49,64-65].此外，在黑暗海洋中，分布廣泛的浮游細(xì)菌SAR202和SAR11兩大微生物類群被認(rèn)為在改造半惰性DOM過(guò)程中發(fā)揮重要作用[66，62].特別是Landry等[66]發(fā)現(xiàn)：SAR202類群包含多個(gè)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(shù)被預(yù)測(cè)屬于Ⅱ型Baeyer-Villiger單加氧酶，主要催化氧原子插入脂環(huán)烷烴結(jié)構(gòu)；這些酶在分解代謝固醇類有機(jī)質(zhì)的途徑中與其他酶家族發(fā)揮互補(bǔ)作用，表明部分SAR202類群可能是催化一些半活性有機(jī)質(zhì)(如固醇類物質(zhì))轉(zhuǎn)化為惰性有機(jī)質(zhì)CRAM的關(guān)鍵.

化能自養(yǎng)微生物也被證實(shí)是RDOM的重要來(lái)源.厭氧氨氧化古菌特別是奇古菌(Thaumarchaeota)屬于典型的化能自養(yǎng)氨氧化古菌，可在培養(yǎng)中產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的活性有機(jī)質(zhì)(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(yù)示這些古菌在黑暗海洋中的化能自養(yǎng)作用不僅提供活性DOM用于異養(yǎng)微生物的生長(zhǎng)代謝，更為深海碳庫(kù)提供了直接的RDOM來(lái)源[67].Zhang等[68]的最新研究發(fā)現(xiàn)黑暗深海中氨氧化古菌和亞硝氧化細(xì)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(tài)學(xué)機(jī)制，為量化深海物質(zhì)與能量循環(huán)的研究提供了新參數(shù).綜上可見，微生物群落在功能上“多才多藝”，其在對(duì)DOM吸收、轉(zhuǎn)化、釋放的過(guò)程中影響有機(jī)碳循環(huán)(如從活性到惰性的過(guò)程)和深海RDOM的多樣性，對(duì)海洋巨大的DOM庫(kù)產(chǎn)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(dǎo)致部分(20%～40%)海洋微生物死亡，調(diào)控微型生物的群落結(jié)構(gòu)和遺傳進(jìn)化[69].宿主生物被病毒裂解后，釋放的有機(jī)物重新被環(huán)境中的微生物吸收利用，因此病毒能夠通過(guò)“病毒回路”作用影響有機(jī)碳在海洋微食物網(wǎng)中的通量和途徑[21,70-71].越來(lái)越多研究揭示了病毒裂解宿主后釋放的DOM的化學(xué)組成和進(jìn)一步的生物地球化學(xué)效應(yīng).不同于浮游植物分泌的有機(jī)物，病毒裂解產(chǎn)物富含更多生物活性的蛋白類有機(jī)物[72].Ma等[73]利用高分辨率MS比較病毒裂解性產(chǎn)物和浮游植物分泌物的組分差異，發(fā)現(xiàn)病毒裂解產(chǎn)生的DOM組分更復(fù)雜且更容易被微生物利用，是海洋中高分子質(zhì)量(>1 000 ku)溶解有機(jī)氮化合物的重要來(lái)源.此外，不同病毒種群裂解特定宿主得到的有機(jī)物在成分上也有所不同[74].Zhao等[47]發(fā)現(xiàn)富含氮的病毒裂解性產(chǎn)物是海洋DOM庫(kù)的重要來(lái)源，并可能在深海里持續(xù)累積和儲(chǔ)存.Zheng等[75]利用FT-ICR MS等方法分析發(fā)現(xiàn)，病毒裂解海洋微型“初級(jí)生產(chǎn)者”(浮游植物)產(chǎn)生了大量含氮類有機(jī)質(zhì)如氨基酸、寡肽、蛋白質(zhì)等，也產(chǎn)生了小分子有機(jī)酸、核苷酸、脂類、生物胺、卟啉等，這些活性物質(zhì)可為異養(yǎng)生物繁殖代謝提供能量，也調(diào)控海洋碳循環(huán)途徑.培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)也表明病毒裂解產(chǎn)物能被自然微生物群落快速利用，而小部分有機(jī)物組分能抵御微生物的降解，驗(yàn)證了MCP理論中“病毒裂解產(chǎn)物也是海洋RDOM的重要來(lái)源之一”這一推測(cè)[21].因此，病毒裂解宿主調(diào)控有機(jī)碳的歸宿，稱為MCP的被動(dòng)過(guò)程[21,51]，在海洋碳循環(huán)中發(fā)揮重要的作用.

病毒侵染策略的生態(tài)重要性也得到了更好的認(rèn)識(shí).不同于裂解性侵染，病毒還會(huì)通過(guò)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(fù)制而復(fù)制，在避免外界各種環(huán)境因子對(duì)病毒顆粒產(chǎn)生脅迫的同時(shí)，也避免了宿主的裂解死亡，進(jìn)而影響宿主群落的動(dòng)態(tài)變化和結(jié)構(gòu)，并影響微生物對(duì)有機(jī)物的利用[76-77].這一過(guò)程影響了有機(jī)碳的歸宿.如在河口生境從大潮到小潮的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，病毒群落會(huì)從裂解性侵染向溶原性侵染轉(zhuǎn)換，在降低病毒降解率的同時(shí)也能促進(jìn)細(xì)菌的生存，促使碳量向高營(yíng)養(yǎng)級(jí)傳遞而非被裂解釋放到環(huán)境中[78].綜合多方面的數(shù)據(jù)，Knowles等[79]提出了“Piggyback-the-Winner”假說(shuō)，認(rèn)為環(huán)境中微生物豐度的增加會(huì)驅(qū)使病毒從裂解性侵染向溶原性侵染轉(zhuǎn)換，并通過(guò)溶原性侵染影響宿主的群落結(jié)構(gòu)和代謝.Chen等[80]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)病毒的高溶原性侵染會(huì)抑制微生物群落的多樣性，而溶原性侵染向裂解性侵染轉(zhuǎn)換則會(huì)殺死群落里的高豐度類群，給原本的稀有類群提供生長(zhǎng)機(jī)會(huì)，最終促進(jìn)宿主群落的多樣性，揭示了新的“Piggyback-the-Winner”和經(jīng)典的“Kill-the-Winner”病毒侵染模式在時(shí)間尺度上存在相互轉(zhuǎn)化并共同發(fā)揮作用.此外，有研究發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)化能夠增加環(huán)境中20%～56%的DOM、復(fù)合單糖和氨基酸的含量，且50%以上產(chǎn)生的有機(jī)物能被微生物在培養(yǎng)過(guò)程中持續(xù)利用和轉(zhuǎn)化[81].這些過(guò)程體現(xiàn)了病毒適應(yīng)環(huán)境所展現(xiàn)出的不同生存和生態(tài)策略，而這些策略對(duì)MCP的碳轉(zhuǎn)化機(jī)制影響的研究有待深入開展.

最新研究發(fā)現(xiàn)病毒顆粒自身可能直接影響海洋的碳循環(huán)過(guò)程.作為有機(jī)物的復(fù)合體，病毒顆粒的降解向周圍環(huán)境釋放有機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)元素[82].據(jù)最新研究統(tǒng)計(jì)，病毒顆粒在海洋中的總數(shù)量達(dá)到1.4 × 1030，有機(jī)碳總量可達(dá)32 Tg，這些有機(jī)碳若釋放到環(huán)境中，將為微生物群落提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[83].據(jù)估算，深海沉積物生境中的病毒會(huì)降解宿主，每年釋放37～50 Mg有機(jī)碳到環(huán)境中，其總量相當(dāng)于上層海洋光合作用產(chǎn)物通過(guò)沉降到達(dá)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(dòng)物直接攝食，貢獻(xiàn)了原生動(dòng)物的有機(jī)物食物來(lái)源，直接進(jìn)入高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的海洋食物鏈而非進(jìn)入“微食物環(huán)”，進(jìn)而影響海洋碳流的途徑[83,85].近年來(lái)發(fā)現(xiàn)還存在一種“病毒穿梭”機(jī)制，能夠通過(guò)促進(jìn)顆粒有機(jī)物的富集和沉降，從而提高POM從上層海洋沉降到深海并儲(chǔ)存的效率[86-87].Tian等[88]和Zhang等[89]發(fā)現(xiàn)沉降到深海的上層海洋病毒仍具有侵染活性，對(duì)深海微生物類群的動(dòng)態(tài)變化和群落結(jié)構(gòu)具有重要影響.因此，病毒不僅在MCP中扮演重要角色，更協(xié)同BP在生物地球化學(xué)中發(fā)揮重要作用.

病毒侵染對(duì)宿主生理狀態(tài)和代謝機(jī)制的影響也已得到更直接的證據(jù).被病毒侵染后的宿主會(huì)重新調(diào)整細(xì)胞內(nèi)的代謝通路來(lái)促進(jìn)病毒顆粒的復(fù)制和釋放[87].如病毒侵染光合自養(yǎng)微生物后會(huì)抑制宿主體內(nèi)的有機(jī)碳固定過(guò)程，并促進(jìn)戊糖磷酸代謝，進(jìn)而促進(jìn)病毒顆粒所需核酸的合成[90-91].在侵染過(guò)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(guò)程.隨著純病毒株和病毒宏基因組序列庫(kù)的不斷擴(kuò)展，越來(lái)越多的AMGs被發(fā)現(xiàn)，病毒對(duì)宿主的碳代謝、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如氮磷硫的循環(huán)、脂肪酸代謝、光合作用、蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞膜與囊泡的形成等過(guò)程都具有重要的潛在貢獻(xiàn)[92-94]，進(jìn)而在各方面直接影響病毒在海洋碳循環(huán)過(guò)程中所扮演的角色.

病毒在MCP儲(chǔ)碳和全球碳循環(huán)中發(fā)揮的作用遠(yuǎn)超想象，期待更多未知過(guò)程在不斷深入的研究中被發(fā)現(xiàn).Cai等[32]近期的研究指出：病毒侵染作用可調(diào)控微生物群落，釋放微生物體細(xì)胞內(nèi)含物以供給異養(yǎng)細(xì)菌群落.正是病毒這種“Kill-the-Winner”的生態(tài)策略促進(jìn)了微生物群落的演替，加速了活性有機(jī)質(zhì)向RDOM轉(zhuǎn)化，使得碳循環(huán)在生物介導(dǎo)的過(guò)程中盡可能“轉(zhuǎn)動(dòng)”起來(lái).這也印證了Jiao等[49]對(duì)MCP機(jī)制的補(bǔ)充，即微生物群落的演替對(duì)于有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化至關(guān)重要，而病毒生態(tài)正是調(diào)整群落演替的關(guān)鍵因素之一[95].因此，病毒對(duì)碳循環(huán)的作用不容忽視.

4 原生生物在MCP中的作用

與細(xì)菌、古菌、病毒等微生物相似，原生生物也在時(shí)刻影響著海洋碳循環(huán)，在MCP過(guò)程機(jī)制中扮演重要角色[21].根據(jù)五界系統(tǒng)理論，真核生物中除植物、動(dòng)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(gè)真核生物的各大進(jìn)化支[96].其種類繁多，至今尚無(wú)統(tǒng)一的形態(tài)學(xué)特征來(lái)定義這一類群.目前被業(yè)內(nèi)學(xué)者普遍接受的定義為：能夠獨(dú)立生存的單細(xì)胞或群體真核生物[97].原生生物具有多樣性高、結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜和分布廣泛等特點(diǎn)，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(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能中發(fā)揮重要作用.原生生物功能類群一般可簡(jiǎn)單劃分為具有光合自養(yǎng)能力的原生植物和具有異養(yǎng)能力的原生動(dòng)物.

海洋原生植物的光合作用貢獻(xiàn)了約全球50%的初級(jí)生產(chǎn)力[98]，是有機(jī)碳循環(huán)的第一步，也為驅(qū)動(dòng)MCP提供了能源物質(zhì)[21].一般認(rèn)為，無(wú)論是近岸還是遠(yuǎn)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(xì)胞藍(lán)藻更大的粒徑和與之相似(甚至更高)的生長(zhǎng)率，對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)超過(guò)海洋中其他光合生物[99]，其形成的生物量是通過(guò)BP沉降作用的POM向深海儲(chǔ)藏的重要輸出者[100-101]；同時(shí)，藻類生長(zhǎng)過(guò)程中所釋放的DOM可被異養(yǎng)細(xì)菌快速吸收利用，經(jīng)細(xì)菌轉(zhuǎn)化后的有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)于海洋RDOM庫(kù)[102].

異養(yǎng)原生動(dòng)物(如微型異養(yǎng)鞭毛蟲和纖毛蟲等)通過(guò)攝食細(xì)菌與微藻將碳及其他元素經(jīng)微食物環(huán)傳遞至經(jīng)典食物鏈，在微食物環(huán)能流與元素循環(huán)中發(fā)揮重要作用，如原生動(dòng)物可攝食約62%藻類和25%～100%細(xì)菌的日生產(chǎn)量[103].同時(shí)，原生動(dòng)物攝食過(guò)程中通過(guò)排泄與分泌所釋放的物質(zhì)中含有DOM，如尾絲蟲(Uronemasp.)和游仆蟲(Euplotessp.)兩種纖毛蟲在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下能分別將其所攝食細(xì)菌碳量的9%和3%以DOM的形式釋放，調(diào)控碳分餾[104].在另一培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，纖毛蟲Strombidinopsisacuminatum和甲藻Oxyrrhismarina可通過(guò)攝食作用釋放16%～37%的藻類碳量[105]；在異養(yǎng)鞭毛蟲攝食細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，攝食活動(dòng)可釋放惰性大分子有機(jī)質(zhì)[106].因此，原生動(dòng)物的攝食活動(dòng)是包括RDOM在內(nèi)的海洋DOM的重要來(lái)源之一，印證了MCP理論中原生生物的作用.

在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里，光合自養(yǎng)與異養(yǎng)被認(rèn)為是原生生物僅有的兩種營(yíng)養(yǎng)方式.然而，Bird等[107]研究發(fā)現(xiàn)很多原生生物具有混合營(yíng)養(yǎng)能力，這為生物參與碳循環(huán)提出了新的研究方向.原生生物主要包括兩種混合營(yíng)養(yǎng)模式：1) 某些能進(jìn)行光合作用的藻類可進(jìn)行吞噬營(yíng)養(yǎng)[108]；2) 某些進(jìn)行異養(yǎng)生活的原生動(dòng)物可攝食藻類，將其部分消化，但保留其質(zhì)體(葉綠體)并在原生動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行光合作用[109].混合營(yíng)養(yǎng)模式的發(fā)現(xiàn)改變了海洋物質(zhì)循環(huán)與能流的經(jīng)典模型.大西洋混合營(yíng)養(yǎng)模式的藻類可攝食約37%～95%的細(xì)菌生產(chǎn)量[110]；基于模型的研究發(fā)現(xiàn)，將混合營(yíng)養(yǎng)模式納入食物網(wǎng)后，橈足類通過(guò)捕食所能獲取的微型浮游動(dòng)物的生物量是沒(méi)有混合營(yíng)養(yǎng)模式條件下的2倍[111].混合營(yíng)養(yǎng)模式不僅對(duì)物質(zhì)在營(yíng)養(yǎng)級(jí)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(yíng)養(yǎng)能力的金藻Poterioochromonasmalhamensis在光合自養(yǎng)及異養(yǎng)(即攝食細(xì)菌)條件下所分泌的溶解及膠狀有機(jī)碳，發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)比光合自養(yǎng)條件下釋放更多粒徑>0.02 μm的膠質(zhì)顆粒，且異養(yǎng)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(yíng)養(yǎng)原生生物，在海洋生態(tài)系統(tǒng)包括碳在內(nèi)的元素循環(huán)中(如營(yíng)養(yǎng)級(jí)間的傳遞對(duì)海洋DOM庫(kù)，尤其是RDOM庫(kù))發(fā)揮重要作用.然而，目前混合營(yíng)養(yǎng)原生生物的研究仍有較大不足，亟待開展深入的研究以補(bǔ)充關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，進(jìn)一步揭示原生生物在海洋碳循環(huán)中的作用.此外，雖然原生生物在MCP的過(guò)程機(jī)制中同時(shí)包含“主動(dòng)過(guò)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(dòng)過(guò)程”(即原生生物分泌或排泄的代謝產(chǎn)物中含有RDOM)[21]，原生動(dòng)物攝食作用被證實(shí)改變了碳流(如微食物環(huán)作用調(diào)整POM為DOM)，但是并無(wú)明確的研究指出這種過(guò)程是否產(chǎn)生RDOM.因此，無(wú)論是原生生物中浮游植物分泌的DOM，還是原生動(dòng)物攝食作用產(chǎn)生的DOM，其分子組成都亟待研究.近10年來(lái)光分析化學(xué)、超高分辨MS分析和高場(chǎng)NMR分析技術(shù)的發(fā)展和融合，為這一研究提供了充分的基礎(chǔ).早在2006年，Gruber等[113]發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)體系中有無(wú)原生動(dòng)物捕食行為介入的情況下，其碳轉(zhuǎn)化方式顯著不同.然而，目前仍不明確原生動(dòng)物的攝食作用是否類似于病毒的“Kill-the-Winner”作用，即調(diào)控微生物群落結(jié)構(gòu)和釋放“被攝食者”的有機(jī)碳，進(jìn)而促進(jìn)活性有機(jī)質(zhì)向RDOM轉(zhuǎn)化并影響碳循環(huán).

基于上述MCP理論提出10年來(lái)的研究進(jìn)展，MCP的過(guò)程與機(jī)制總結(jié)于圖2.

5 展 望

經(jīng)過(guò)10年的研究，MCP理論框架得到了細(xì)化和完善，已被應(yīng)用于解釋海洋碳匯通量與氣候變化的關(guān)系[9,114].此外，MCP被認(rèn)為不僅適用于水體，也適用于解釋土壤環(huán)境[115]及海洋沉積物[116]的儲(chǔ)碳過(guò)程；MCP概念以及基于MCP的陸海統(tǒng)籌近海增匯和養(yǎng)殖區(qū)增匯路徑也被納入IPCC特別評(píng)估報(bào)告[1].

由于MCP過(guò)程機(jī)制的復(fù)雜性和應(yīng)用潛力，其研究仍需進(jìn)一步深入.基于現(xiàn)有研究進(jìn)展，提出未來(lái)研究方向如下：1) MCP產(chǎn)物RDOM組分和化合物結(jié)構(gòu)的解析，以及對(duì)應(yīng)微生物功能類群吸收、胞內(nèi)轉(zhuǎn)化、釋放這些RDOM的機(jī)制；2) RDOM在不同環(huán)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(qū)微生物和RDOM的動(dòng)態(tài)變化及其碳匯效應(yīng)；4) 古海洋MCP與氣候變化的關(guān)系、未來(lái)海洋MCP效應(yīng)的變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候的調(diào)控作用[117]；5) 基于MCP的跨學(xué)科(生物-化學(xué)-物理-沉積)“負(fù)排放”對(duì)“碳中和”的潛力[118].

致謝：感謝MCP理論提出人焦念院士對(duì)本文的啟發(fā)，及周文楚對(duì)繪圖的幫助.

圖2 MCP過(guò)程與機(jī)制Fig.2 Processes and mechanisms of MCP