Potential response of dark carbon fixation to global warming in estuarine and coastal waters  

河口與沿海水域黑暗碳固定對全球變暖的潛在響應(yīng)  

來源：Global Change Biology, Volume 29,2023, Pages 3821-3832

《全球變化生物學(xué)》第29卷，2023年，頁碼3821-3832  

 

摘要內(nèi)容

 

該研究探討了全球變暖對河口及沿海水域黑暗碳固定（DCF）的影響。DCF是化能自養(yǎng)微生物將無機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的關(guān)鍵過程，對全球碳循環(huán)至關(guān)重要。通過放射性碳標(biāo)記法測定長江口及鄰近海域底棲水體的DCF速率，發(fā)現(xiàn)DCF速率呈穹頂形溫度響應(yīng)模式（最適溫度Topt為21.9–32.0°C）。近岸站點（低鹽度區(qū)）Topt較高，而離岸站點（高鹽度區(qū)）Topt較低且更易受升溫抑制。基于增溫情景預(yù)測，升溫將促進(jìn)冬春季DCF速率，但抑制夏秋季DCF活動；年均尺度上，升溫整體促進(jìn)DCF速率（2°C升溫下年均增加8.6%，4°C升溫下增加15.8%）。宏基因組分析表明，近岸區(qū)域以卡爾文循環(huán)（CBB）為主，離岸區(qū)域則由CBB和3-羥基丙酸/4-羥基丁酸（3-HP/4-HB）循環(huán)共同主導(dǎo)，這解釋了DCF溫度響應(yīng)的空間差異。  

 

研究目的

揭示河口與沿海水域DCF的溫度響應(yīng)模式。  

 

模擬不同增溫情景下DCF能力的變化。  

 

闡明DCF響應(yīng)全球變暖的微生物機(jī)制。  

 

研究思路

野外采樣與溫度梯度實驗：  

 

在長江口至鄰近海域設(shè)置鹽度梯度站點（圖1），采集底棲水體樣本。  

 

 

在5–40°C溫度梯度下（5°C間隔）培養(yǎng)樣品，測定DCF速率（圖3）。  

環(huán)境參數(shù)與微生物分析：  

 

 

測定溶解氧（DO，使用丹麥Unisense電極）、鹽度、營養(yǎng)鹽等環(huán)境參數(shù)。  

 

通過宏基因組測序分析化能自養(yǎng)微生物群落及碳固定途徑（圖2），結(jié)合qPCR量化功能基因（cbbL、accA等）。  

 

 

增溫情景模擬：  

 

基于SSP2-4.5（+2°C）和SSP5-8.5（+4°C）情景，預(yù)測季節(jié)性DCF變化（圖4–6）。  

 

 

 

 

機(jī)制解析：  

 

關(guān)聯(lián)微生物群落結(jié)構(gòu)與溫度響應(yīng)差異，驗證銨鹽添加對DCF的促進(jìn)作用。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

DCF速率溫度響應(yīng)曲線（圖3）：  

 

數(shù)據(jù)：不同溫度下DCF速率（0.05–0.72 μmol C L?1 day?1）及Topt（近岸站點26.8–32.0°C，離岸站點21.9–25.2°C）。  

 

意義：揭示DCF的穹頂形溫度敏感性，為預(yù)測碳匯對升溫的響應(yīng)提供依據(jù)。  

微生物群落與功能基因（圖2）：  

 

數(shù)據(jù)：近岸以CBB循環(huán)為主（Gammaproteobacteria主導(dǎo)），離岸以CBB和3-HP/4-HB循環(huán)共存（Thaumarchaeota主導(dǎo)）；accA基因在離岸富集。  

 

意義：闡明空間分異的碳固定途徑是溫度響應(yīng)差異的微生物機(jī)制。  

增溫情景模擬結(jié)果（圖4–6）：  

 

數(shù)據(jù)：夏秋季升溫抑制離岸DCF（最大抑制9.4%），冬春季促進(jìn)近岸DCF（最大促進(jìn)113.9%）；年均DCF在4°C升溫下增加15.8%。  

 

意義：量化未來氣候情景下河口碳匯變化，提示近岸碳匯增強(qiáng)而離岸脆弱。  

 

結(jié)論

溫度響應(yīng)分異：DCF呈穹頂形溫度響應(yīng)，近岸Topt（28.3°C）高于離岸（23.6°C），離岸站點更易受升溫抑制。  

 

季節(jié)與空間差異：升溫促進(jìn)冬春季DCF（尤其近岸），但抑制夏秋季DCF（尤其離岸）；年均尺度上，升溫整體提升DCF能力（4°C升溫下+15.8%）。  

 

微生物驅(qū)動機(jī)制：近岸以AOB（氨氧化細(xì)菌）驅(qū)動的CBB循環(huán)為主，適應(yīng)較高溫度；離岸以AOA（氨氧化古菌）主導(dǎo)的3-HP/4-HB循環(huán)為主，對升溫敏感。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

研究中使用的丹麥Unisense電極（型號OX500）用于原位測定溶解氧（DO），其意義在于：  

高分辨率監(jiān)測氧化還原微環(huán)境：直接獲取底棲水體DO動態(tài)，揭示化能自養(yǎng)菌的生存基底（如低氧區(qū)富集硫/鐵氧化菌）。  

 

支撐DCF機(jī)理解析：DO數(shù)據(jù)與氨氧化微生物（AOA/AOB）分布關(guān)聯(lián)（圖2c-vi），證實近岸低氧環(huán)境促進(jìn)AOB（適應(yīng)較高Topt），而離岸高氧環(huán)境富集AOA（適應(yīng)較低Topt），解釋了DCF溫度響應(yīng)的空間分異。  

 

技術(shù)優(yōu)勢：避免采樣擾動，原位捕捉水體-沉積物界面的氧梯度，為"氧化還原條件調(diào)控微生物碳固定途徑"提供關(guān)鍵證據(jù)。