Suspended particles are hotspots of microbial remineralization in the ocean's twilight zone  

懸浮顆粒是海洋暮光帶微生物再礦化的熱點區(qū)域  

來源：Deep-Sea Research Part II, Volume 212, 2023, Article 105339  

《深海研究第二部分》第212卷，2023年，文章編號105339  

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過對比南大洋斯科舍海（冷、富氧）和本格拉寒流（暖、低氧）的數(shù)據(jù)，首次直接證明：  

懸浮顆粒主導再礦化：>90%的微生物再礦化與懸浮顆粒（沉降速度<10 m/d）相關(guān)，而非傳統(tǒng)認為的快速沉降顆粒（>25 m/d）（圖2）。  

 

 

快速周轉(zhuǎn)：懸浮顆粒的碳周轉(zhuǎn)時間極短（斯科舍海2.3天，本格拉寒流0.6天），比沉降顆粒快1-2個數(shù)量級（圖6）。  

 

 

環(huán)境調(diào)控機制：溫度和氧氣顯著調(diào)控微生物呼吸。本格拉寒流低氧區(qū)（20-86%飽和度）的懸浮顆粒呼吸速率受氧氣限制（圖4B），溫度升高（Q10=0.6 eV）加速呼吸（圖3B）。  

 

 

 

碳泵新認知：懸浮顆粒的高周轉(zhuǎn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)“沉降顆粒主導碳衰減”模型，需結(jié)合非穩(wěn)態(tài)粒子注入泵（如側(cè)向輸運）和化能自養(yǎng)作用平衡碳收支（圖7）。  

 

 

研究目的

量化懸浮顆粒與沉降顆粒對深海微生物呼吸的貢獻差異。  

 

揭示環(huán)境因子（溫度、氧氣）對顆粒有機碳（POC）周轉(zhuǎn)的調(diào)控機制。  

 

評估懸浮顆粒在海洋生物碳泵（BCP）中的關(guān)鍵作用及氣候響應(yīng)。  

 

研究思路

采樣設(shè)計：  

 

使用海洋雪收集器（MSC）分離懸浮顆粒（上清液）和快速沉降顆粒（底部沉積物）。  

 

在斯科舍海（2017年11-12月）和本格拉寒流（2018年5-6月）采集45-750 m深度樣品。  

原位監(jiān)測：  

 

Unisense微呼吸系統(tǒng)：直接測量顆粒的耗氧速率（圖5）。  

 

 

化學分析：POC/PON濃度（圖6）、孔隙水氨濃度（圖1）。  

控制實驗：  

 

 

溫度（5-18°C）和氧氣（9-240 μM O?）對呼吸的調(diào)控（圖3, 圖4）。  

模型驗證：  

 

非穩(wěn)態(tài)模型模擬懸浮POC收支，結(jié)合衛(wèi)星初級生產(chǎn)力和現(xiàn)場沉降速度（50 m/d）（圖7）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

耗氧速率（圖5）  

 

數(shù)據(jù)：懸浮顆粒耗氧速率（斯科舍海1.12 μM C d?1，本格拉寒流6.4 μM C d?1）比沉降顆粒高4個數(shù)量級（0.9 nM C d?1）。  

 

意義：直接證明懸浮顆粒是微生物呼吸的主要底物，顛覆“沉降顆粒主導碳衰減”的傳統(tǒng)認知。  

碳周轉(zhuǎn)時間  

 

數(shù)據(jù)：懸浮顆粒碳周轉(zhuǎn)時間僅0.6天（本格拉寒流）和2.3天（斯科舍海），沉降顆粒為33天。  

 

意義：揭示懸浮碳庫的高活性，解釋為何深海POC濃度穩(wěn)定但呼吸旺盛。  

C:N比與周轉(zhuǎn)關(guān)系（圖6C-D）  

 

數(shù)據(jù)：低C:N（富氮）顆粒周轉(zhuǎn)更快（R2=0.89），本格拉寒流相同C:N下周轉(zhuǎn)快于斯科舍海。  

 

意義：有機質(zhì)質(zhì)量（氮含量）和溫度共同調(diào)控周轉(zhuǎn)，預示變暖將加速深海碳循環(huán)。  

氧氣限制（圖4B）  

 

數(shù)據(jù)：懸浮顆粒呼吸速率隨氧氣降低線性下降（y=0.008x, p=0.01），本格拉寒流20μM O?時呼吸降低7倍。  

 

意義：證實低氧擴張（如OMZ）可能通過抑制呼吸增強碳封存效率。  

 

結(jié)論

懸浮顆粒的核心作用：占POC總量98%，支撐>90%微生物呼吸，是深海碳循環(huán)的“中心舞臺”。  

 

環(huán)境敏感性：  

 

溫度升高（Q10=0.6 eV）加速呼吸，本格拉寒流高溫貢獻53%的高周轉(zhuǎn)率。  

 

氧氣濃度直接限制懸浮顆粒呼吸，低氧區(qū)碳保存潛力增強。  

碳泵機制更新：  

 

沉降顆粒僅25-28%碳在500m內(nèi)礦化，挑戰(zhàn)Martin冪律模型。  

 

需結(jié)合粒子破碎、側(cè)向輸運（本格拉寒流）和化能自養(yǎng)（硝化作用）平衡懸浮POC庫（圖7）。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細研究意義

 

研究中采用Unisense微呼吸系統(tǒng)（MicroRespiration System）以高精度（±0.01°C控溫，750μL-2mL微室）測量顆粒耗氧：  

區(qū)分顆粒呼吸貢獻（圖5）：  

 

通過線性回歸分析耗氧與POC濃度關(guān)系，量化懸浮顆粒呼吸中45%（斯科舍海）和13%（本格拉寒流）由溶解有機碳（DOC）驅(qū)動（圖5B）。  

 

意義：首次分離POC與DOC對呼吸的貢獻，揭示DOC在寡營養(yǎng)海區(qū)的關(guān)鍵作用。  

捕捉瞬時動力學（圖3-4）：  

 

溫度實驗：10小時內(nèi)連續(xù)變溫（5-18°C），擬合獲得活化能0.6 eV（圖3B）。  

 

低氧實驗：精確控制初始O?（3-100%飽和度），揭示懸浮顆粒呼吸的氧依賴（圖4B）。  

 

意義：提供微生物呼吸對溫度/氧氣的瞬時響應(yīng)參數(shù)，為預測變暖/脫氧對碳泵的影響提供實驗依據(jù)。  

原位條件校正：  

 

電極數(shù)據(jù)結(jié)合CTD剖面（圖1A-B），將實驗室速率校正至原位溫氧條件。  

 

意義：消除實驗偏差，使耗氧速率真實反映深海環(huán)境過程（如本格拉寒流400m呼吸降低1.7倍）。  

 

核心價值：Unisense電極的亞毫升尺度分辨率和高時間頻率（<24h孵育）首次實現(xiàn)了懸浮與沉降顆粒呼吸的精準區(qū)分，為深海碳循環(huán)模型提供了不可替代的原位動力學參數(shù)。