微生物对近海典型海域碳源汇的调节机制及其环境效应

The ocean is the largest active carbon pool on Earth, which is equivalent to the total CO2 in the atmosphere. "Microbial carbon pump" (MCP) is major source and mechanism of marine carbon sink, significantly contributing to the organic carbon sink. The increasing eutrophication of coastal waters in China is often accompanied by environmental problems such as algal blooms, hypoxia and acidification, which may affect the carbon storage efficiency of MCP. The project will follow the overall guidance of the "Hydrosphere Microbiology Project", with the coastal eutrophication as the background, the MCP as the main theme, to investigate the effects and responses of algal blooms, hypoxia and acidification on major ecological processes and microbial communities. This project combines the field investigation, enclosures and laboratory research by using marine microbiology and chemistry to establish the linkages between the microorganism microcosmic process and the macrocosmic effect of the marine carbon cycle. The implementation of the project will promote the interaction of marine sciences and life sciences. The results will reveal the feedback and regulation of algal blooms, hypoxia and acidification, providing a new understanding for offshore carbon sinks under the pressure of eutrophication. The information provides new parameters for for policy making to deal with marine environmental problems, and scientific and technological support for the sustainable development of coastal ecosystems in China.

海洋是地球上最大的活跃碳库，其总量与大气二氧化碳库相当。“微型生物碳泵”（MCP）是生物储碳的主要机制，构成了海洋有机碳汇基础。我国近海海域日益严重的富营养化常伴随产生藻华、低氧、酸化等环境问题，而这些环境会影响近海储碳效率。本项目遵循“水圈微生物计划”总体设计，以近海富营养化为背景，以MCP为主线，针对近海藻华、低氧酸化环境中微生物对碳源汇调节的关键生态过程和主要机制，以及微生物生态过程对环境低氧形成与消亡的影响开展研究。本项目通过现场调查、围隔生态模拟实验与室内研究相结合，以及海洋微生物与海洋化学的研究手段相结合，搭建微生物微观过程与海洋碳循环宏观效应之间的桥梁。项目的实施将推动地球科学与生命科学的联合。预期研究成果将揭示藻华、低氧酸化过程对近海生态造成的压力，以及富营氧化下的近海碳汇响应和反馈，为我国海洋环境问题决策提供新参数，为保障沿海生态系统可持续发展提供科技支撑。

本项目遵循“水圈重大科学计划”的总体设计，以近海富营养化为背景，以“微型生物碳泵”（MCP）为主线，研究微生物对碳源汇调节的关键生态过程和主要机制，以及微生物生态过程对环境低氧酸化形成的影响。本项目基于生态系统水平上的模拟实验的原位观测，证实MCP的客观存在并发现MCP具有极高的RDOC转化效率，能够在数月内实现RDOC的转化。这一发现颠覆了RDOC为千年尺度过程的认识。项目揭示海洋中至少有82%的RDOC是由于化学惰性而保持稳定，从而支持了“惰性假说”；同时发现，微生物氨氧化和亚硝酸盐氧化的过程能够不断补充有机质，有利于进一步提高RDOC浓度。这些工作从分子/酶水平到生态水平上证明“惰性假说”是RDOC形成的主要机制。项目在典型海域长江口河口混合区调查发现，实测溶解无机碳与碱度的比值在长江口外海域最低可达0.7，相当于藻类固定了河流输入的约20%无机碳，能产生丰富的活性有机碳，增强微生物的呼吸作用。揭示海洋环流和大气沉降加剧黄渤海富营养化，造成底层海水发生内源性酸化及季节性缺氧（文石型碳酸钙饱和度可低到1.5以下）。在气候变暖和人类活动叠加影响下，富营养化貌似提高了固碳能力，但由于所固定的碳主要是活性有机碳，反而成为异养细菌滋生的温床，有机碳很快通过呼吸作用释放CO2，储碳容量反而被削弱。同时这个过程消耗大量氧气，造成水体缺氧，引发不可控的生态环境问题。项目从不同海区、不同界面以及不同生态系统多层面对中国海碳库与通量进行了综合分析，初步估算了各个碳库的储量与不同碳库间的通量，认为中国海是重要的碳汇区，揭示了沉积物碳埋藏和海洋环流导致的RDOC侧向碳输出等对我国近海碳汇的贡献。项目在全球范围内多种天然水环境调查发现，特别在高纬度天然水体溶解有机碳中，RDOC可高达90%。揭示以往国内外沿用了几十年的化学需氧量误将自然碳汇判为污染，应予以纠正。项目有关成果和建议被国际组织引用和采纳。

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