作者:石磊 来源:《科学》杂志 发布时间:2010-10-6 15:38:55
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科学家研究海洋中有机物质如何转化为二氧化碳
 
对简单的海洋生物而言,溶解有机碳(简称DOC)是它们的主要食物。但是,大部分溶解有机碳就像谷糠一样难以下咽,堆积在水体中。科学家们正在研究海洋食物链中的有机物质是如何转化为以二氧化碳形式出现的、更不易释放碳的其他形式。捷克特热邦微生物学研究所的微生物学家米甲·科布利热克(Michal Koblizek)说:“科学家们早就知道海洋中存在着这种‘非食用’有机碳,但直到最近才认识到它在全球碳循环中的作用。”
 
新的发现揭示,海洋中有一个无形过程使巨量的碳悬浮在海浪之下。“这个碳库确实很大,与大气中的二氧化碳总量相当,”厦门大学的微生物生态学家焦念志如是说。焦念志等科学家正在探索在这个碳库中封存二氧化碳的诱人前景。佛罗里达州迈阿密大学的海洋生物地球化学家丹尼斯·汉塞尔(Dennis Hansell)认为,现在讨论这个巨大碳库是否会影响地球工程学还为时过早。不过,他说:“我期望有人能茅塞顿开取得进展,那一刻我们都将欢呼。”
 
数次海洋研究航行得出的数据已经展现出被焦念志称为“微型生物碳泵”(microbial carbon pump, 简称MCP)这一概念的基本轮廓:微生物驱动从活性有机碳转化为难消化的惰性溶解有机碳形式。今年夏天,“欧洲海洋酸化研究项目”正在北极水域开展一系列实验,其中包括探索“微型生物碳泵”。10月,焦念志研究小组将向反方向的热带进发,在世界最暖海域——近赤道的印度太平洋暖池——探索“微型生物碳泵”和碳封存的工作机制。下个月召开的戈登海洋微生物研究会议也将重点讨论“微型生物碳泵”;《自然综述—微生物学》(Nature Reviews Microbiology)发表文章介绍“微型生物碳泵”概念。法国维尔弗朗什海洋学研究室的海洋微生物学家马库斯·韦恩鲍尔(Markus Weinbauer)说:“这个概念可能会彻底改变我们对碳封存的认识。”
 
海洋表面就像行星大小的肺,吸入和呼出二氧化碳。就全球平均水平来看,海洋溶解的二氧化碳比释放的多出约2%。一些二氧化碳溶解在水中形成了碳酸。由于大气中二氧化碳含量上升,海洋的pH值下降,这种现象称为酸化;海洋酸化会减缓碳酸盐骨架生长、从而危及珊瑚和其它生物(见本期第1500页)。碳还会通过食物网进入海洋:浮游植物通过光合作用把二氧化碳固定形成有机碳,数量高达每年600亿吨碳,与陆地储碳量相当。“海洋不能长期捕获碳,”科布利热克说道。大多数新形成的海洋生物质几天内就会消耗殆尽,并以二氧化碳形式返回到大气中。然而,随着死亡有机体的残骸沉降到海床上,有些碳最终在深海槽中储存下来。这种生物泵每年在海床上储存约3亿吨碳。
 
而更多的碳是以溶解有机碳的形式悬浮在水体中。据估计,海洋以溶解有机碳的形式储碳约7000亿吨,比陆地上的所有生物量(6000亿吨碳)还多,几乎与大气中的二氧化碳(7500亿吨碳)含碳量相等。大约95%的有机碳以惰性溶解有机碳的形式沉降:“(成为)海洋中有机物质的最大储库,”位于加里福利亚州圣地亚哥的斯克里普斯海洋研究所的微生物学家法鲁克·阿扎姆(Farooq Azam)如是说。2009年12月刊的《海洋学》(Oceanography)杂志刊登文章说,由汉塞尔和加州大学圣芭芭拉分校的克雷格·卡尔森共同领导的研究小组绘制了第一张溶解有机碳全球分布图。对碳14的研究表明,惰性化合物在海洋这个微生物涡中存在了6000多年,是海洋环流周期的好几倍。
 
科学家们认识到惰性溶解有机碳是全球碳循环的一个关键环节,这一认识推动了研究惰性有机碳本身及其起源的工作。研究人员现在已经知道,惰性溶解有机碳由上千种化合物组成,包括复杂的多糖和腐殖酸。西班牙维哥海洋研究所的罗斯·安东·阿尔瓦尔·萨尔加多(Xosé Antón álvar Salgado)带领的研究小组追踪到某些形式的活性碳转化为惰性碳的过程,方法就是观察它们光学性质的改变,即腐植物质吸收紫外线并重新发出具有特定波长的蓝色荧光。
 
大部分惰性溶解有机碳的起源还是一个谜。有些是光在近海面降解有机物时产生的。石油渗漏对这个碳库也有贡献。“墨西哥湾的石油泄漏不过是说明石油这种物质是如何被排入海洋的一个突出例子,”德国奥尔登堡大学的微生物海洋学家迈因哈德·西蒙(Meinhard Simon)如是说。其它化合物可能是在水下排放口或野火中形成并涌入海洋的。但是就大多数惰性溶解有机碳的起源而言,阿扎姆认为,“我们缺乏对惰性有机碳形成机制的了解,也不知道不同大小和不同结构的变种。”
 
阿扎姆和其他科学家赞扬焦念志的关键性洞识:认可了微生物在把活性炭“泵”入一个相对惰性化合物库中发挥着主导作用。一部分惰性溶解有机碳悬留在海洋上层,而另一部分通过生物泵分流到深海内部。台湾高雄国立中山大学的海洋碳酸盐化学家陈镇东说,微型生物碳泵“可充当在深海运输并储存碳的传送带”。“微型生物碳泵”似乎在深水域也起作用,在深水中适应了高压环境的细菌可能具有降解惰性溶解有机碳的“一种特殊能力”,法国马赛海洋学中心的微生物学家克里斯汀·坦布里尼(Christian Tamburini)如是说。
 
要揭开微生物与惰性溶解有机碳的联系需要敏锐的洞察力。东京大学的小川博司(Hiroshi Ogawa)和同事在2001年发表了一篇里程碑式的文章,他们的研究表明海洋微生物能够将活性溶解有机碳转变为惰性溶解有机碳(见2001年5月4日《科学》第917页)。一个月后,美国加州莫斯兰丁蒙特雷湾水生生物研究所的比格涅夫·柯柏(Zbigniew Kolber)和同事也报道说,在大洋上层有一种叫AAPB的独特光合细菌占总微生物群落的11%(见2001年6月29日《科学》第2492页)。通过测量该细菌光吸收色素所产生的红外荧光值发现,AAPB似乎各处分布都很多。
 
但结果发现,其它生物体的存在导致了对AAPB的上述测量严重偏离实际。焦念志研究小组采用一种新技术证明了是浮游植物的荧光屏蔽了目标微生物的光。焦念志解释说:“这就跟月朗星稀是一道理。” 2005年,为纪念郑和下西洋600周年,中国考察船“大洋一号”起航执行任务,焦念志于是检验了这种新方法。他说,观察结果“与之前的认识相反”。他的研究小组发现富含营养的海域分布的AAPB比大洋更多,这表明AAPB的群体数量与溶解有机碳DOC相关,与光无关。
 
接着,焦念志发现AAPB容易被病毒感染,而且他分离出了感染这些AAPB的第一个噬菌体。噬菌体分裂宿主细菌,分解菌体——包括有机碳——进入水中。这种作用于许多海洋细菌的病毒分流“可能对惰性溶解有机碳化合物在水体中的累积发挥着重要的作用,”美国田纳西大学诺克斯维尔分校的微生物学家史蒂芬·威廉(Steven Wilhelm)解释道。综合这些因素——AAPB的普遍存在性、低丰度、高周转率、与溶解有机碳的紧密联系、易感染性,焦念志提出AAPB等微型生物是活性溶解有机碳转变成惰性溶解有机碳的关键机制。这看起来似乎有违常理,因为微生物并不是生来就产生惰性溶解有机碳的;相反,这些化合物是微生物死亡的副产品。西蒙说,“这个过程对细菌本身并没有什么益处。”
 
由于惰性溶解有机碳在水体中的形成是偶然性的,引导微生物去封存更多碳并不容易。几十年来,研究人员通过向海洋中添加铁肥来促进生物泵在深海中储存更多的碳。铁能引起浮游植物大量繁殖,使其从大气中吸收更多的二氧化碳。这样应该也能使更多的碳进入惰性碳库中,科布利热克说道。
 
甚至调整“微型生物碳泵”也会有深远的影响。海洋水体中,平均每升水以溶解有机碳形式储存35到40微摩尔碳。每升水增加2到3微摩尔碳就能多储存几十亿吨的碳,位于印度果阿的国家海洋学研究所的海洋微生物生态学家那伽帕·拉迈亚(Nagappa Ramaiah)如是说。他说:“我们必须研究一切可能的方法来帮助沉降多余的碳。”
 
20亿年前,当细菌统治地球时,海洋储存的溶解有机碳是现在的500倍,很可能就是“微型生物碳泵”产生的,焦念志如是说。他认为,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。他还指出,任何化学平衡都不能限制活性溶解有机碳向惰性溶解有机碳转化,而惰性溶解有机碳的产生也不会加剧海洋酸化。焦念志正在计划今年夏天进行一些先导实验。与此同时,拉迈亚说他正在筛选海洋细菌株以期提高封存碳的能力。
 
没有简单的解决方案——有些科学家甚至还不确信这是否可行、是否安全。西蒙说:“我认为用微型生物碳泵来提高海洋储碳能力并不可能。”他认为“我们还没有掌握”惰性溶解有机碳是如何产生的。韦恩鲍尔提出,以现有的知识,任何储碳的努力“都可能会像回飞镖一样回到起点并使问题变得更糟。”与此同时,人们可能“不经意地已经刺激了‘微型生物碳泵’”,萨尔加多解释道。他说,全球变暖正在加剧海洋分层、降低深层对流、刺激微生物的呼吸作用——这一切都有利于“微型生物碳泵”。
 
阿扎姆指出,“微型生物碳泵”概念应当会有助于解决一些重要问题,如海洋酸化及变暖是否会显著改变碳到惰性溶解有机碳的转化。海洋研究科学委员会新设立了一个工作组,研究“微型生物碳泵”在碳生物地球化学中的作用;阿扎姆和焦念志共同领导这个工作组。即将进行的几次海洋研究航行理应会提供更多细节信息,解释“微型生物碳泵”如何控制碳循环及怎样响应气候变化。正如威廉所说,“我们已经看到了形成这种认知的曙光。”
 
 
 
 
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