微生物净固碳过程对智利海沟有机碳的贡献研究

Trench sediment generally contains extraordinary higher organic carbon than their abyssal plains. This makes pelagic OC cycling one of the most significant studies in evaluating the eventual trench sediment carbon storage. Besides the biological pump and occasional geological activities induced organic carbon, pelagic organic carbon in trench may be mediated by microbial activities. However, there is very few research on this topic which has affected our comprehensive evaluation of trench organic carbon budget. Therefore, we will be participating cruise SO261 on one of the most productive but elusive and little-known marine habitats of Chile Trench by RV SONNE. We propose to apply elemental analysis and light spectrometry to study the composition and characteristics of particulate and dissolved organic carbon in the pelagic realm of the trench. Combining with measurements on microbial chemoautotrophic carbon fixation rate and respiration rate, we aim to first quantify the carbon input from net microbial carbon fixation, and test the hypothesis of “net microbial carbon fixation contributes to organic carbon pool in Chile Trench”. The exploit of the project will uncover the complex OC biogeochemistry in the trench, provide important dataset of microbial processes in organic carbon budget, and further our understanding of trench as marine carbon reservoir in global organic carbon cycling.

全球大部分海沟具有沉积物有机碳含量高这一特点，而研究海沟水体有机碳的性质对理解沉积物有机碳循环至关重要。海沟除了获得真光层生物泵通过颗粒物沉降及间歇性地质活动输运的有机碳外，微生物的化能自养固碳作用可能是海沟水体有机碳的重要来源，但相关研究鲜有报道，这是影响精确量化全球碳循环过程的的关键问题之一。本项目将利用宝贵的国际合作机会，参加“太阳号”SO261对高初级生产力的智利海沟联合调查航次获得样品。项目将聚焦海沟水体，通过元素分析、光谱等方法，研究海沟区域不同水层颗粒有机碳及溶解有机碳的组成和特征；通过颗粒附着态与自由生活态微生物化能自养固碳速率和呼吸速率的测试，验证“微生物净固碳过程对智利海沟有机碳有重要贡献”这一假设，项目将首次确定智利海沟有机碳的生物来源及收支状态，从而加深我们对海沟碳储机制的理解，为进一步完善精确量化全球碳循环过程提供实验数据及理论依据。

海沟特殊的“漏斗状”地形及高压低温等条件使其成为潜在的有机碳沉积汇。海沟表层沉积物有机碳被证明比深海平原活性更高，其氧气利用率与该区域的表层海水初级生产力（NPP）正相关。但是连接海沟表层与底部沉积物的水体过程研究却很少，有机碳在海沟水体中的代谢及合成等过程也不清楚。.因此，本项目首次在阿塔卡马海沟的6个站位对全水深的微生物固碳速率（Dark carbon fixation，DCF）和分粒径的微生物群落呼吸速率（Microbial community respiration，MCR）以及POC的深度剖面进行了研究，并结合海洋表层初级生产力和微生物的生物量变化，探讨海沟内有机碳循环的机制。结果表明：1. 对表层水而言，该海域水体中对POC降解占主导作用的微生物类群粒径为0.8—3.0μm。24h的时间序列实验证明POC与MCR都存在明显的昼夜变化，但趋势相反，暗示POC的光降解和微生物降解的竞争机制，同时不同粒径MCR日际变化会对研究区内的POC的元素组成和同位素产生分馏作用，影响其分布。2. 海沟站位的表层水体中MCR明显高于海沟两侧站位(82.8%)，且与NPP密切相关。通过对表层水中的呼吸进行积分，估算出其占NPP的0.5-4.6%，略低于全球平均水平。这为海沟中沉积物有机碳可能来源于表层初级生产力提供了参考。3. POC、DCF和MCR从表面到1000m深度呈指数衰减，在1000-6000m的整个深海中保持相对稳定。相比之下，各参数在海沟带（>6000m）变化复杂，没有固定趋势，表明水体最深处存在复杂的动态物质运输过程。平均而言，有71%(50-91%，n=123)的MCR由颗粒附着态的微生物主导，这意味着颗粒态物质作为水体中微生物代谢“热点”的重要性。然而，从单一粒径来看，微生物基因丰度和MCR之间没有明显的关系。深海中的DCF较低，为4.8~73.2 μg C m-3 d-1，但经深度积分后的DCF约占表层NPP的30%，可以作为海沟水体中有机质的重要来源之一。.本项目通过对海沟全水深的MCR和DCF的分析，量化了海沟这一极端环境水体POC的代谢过程，这为研究海沟沉积物中有机碳的来源提供了数据支撑，也对理解海沟沉积物的碳汇作用至关重要。

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