深海以意想不到的方式固定碳

“我們一直在努力更好地掌握海洋中有多少碳被固定，”桑托羅說。 “現在數據已經出來了，這太棒了。”

該項目得到了國家科學基金會的部分支持。

海洋作為行星碳匯

誰來修理？海洋是地球上最大的碳儲存庫，吸收了人類排放的近三分之一的二氧化碳，並有助於控制全球氣溫。由於我們嚴重依賴這種自然儲存能力，科學家們熱衷於解開控制碳如何進入、運輸和儲存在海洋中的複雜過程。

桑托羅說：“我們想知道碳如何在深海中移動，因為海洋要影響氣候，碳必須從大氣移動到深海。”

無機碳的大部分固定是通過微觀生命進行的。在表面，浮游植物（單細胞光合生物）吸收無機二氧化碳（包括溶解的二氧化碳）。作為自養生物，它們以與陸地植物類似的方式製造自己的食物，利用二氧化碳和水來構建有機物（糖）並釋放氧氣。

關於深海微生物的古代假設

科學家普遍認為，由於浮游植物的光合作用，大多數 DIC 固定發生在陽光照射的表層，但大量非光合作用 DIC 固定也發生在海洋更深、更暗的區域。在這些沒有陽光的水域中，這一過程被認為是由自養古細菌主導的，它們氧化氨（一種含氮化合物）來獲取能量，而不是利用陽光。

然而，當研究人員通過對水柱取樣檢查這些固碳微生物的氮基能量預算時，他們很快意識到數學不起作用。

桑托羅說：“人們乘船測量碳固定時測量到的數據與人們所理解的微生物能源之間存在差異。” “我們基本上無法為固碳生物體制定預算。”她解釋說，微生物需要能量來固定碳，但深海中的氮似乎沒有足夠的能量來支持整個水體的高碳固定率。

長達十年的碳循環之謎

這種不匹配引起了桑托羅和該論文的主要作者芭芭拉·貝爾近十年的興趣，因為他們試圖填補我們對海洋碳循環理解的一個關鍵空白。之前的研究已經驗證了這樣的觀點：古細菌的固碳能力可能比科學家想像的要高效得多，需要更少的氮來固定相同數量的碳。然而，他們的工作表明這種解釋並不成立。

在這項新研究中，研究人員轉移了注意力，提出了一個不同的問題：這些氨氧化劑實際上對固定黑暗海洋中溶解的無機碳總量有多大貢獻？為了回答這個問題，拜耳設計了一項有針對性的實驗。

“我想出了一種方法來專門阻止它們在深海的活動，”桑托羅解釋道。通過使用專門的化學物質降低這些氧化劑的活性，研究小組預計碳固定量將急劇減少。經證實，苯乙炔抑製劑對其他社會進程沒有其他可測量的影響。

他們的結果表明，儘管氨氧化劑（主要是黑暗海洋中豐富的古細菌）受到抑制，但研究區域的碳固定率並沒有像預期的那樣下降。

深海碳固定的新嫌疑人

如果氨氧化古菌並不像之前認為的那樣負責碳固定，那麼一定有其他微生物參與其中。潛在貢獻者庫現在包括周圍群落中的其他微生物種類，特別是細菌和一些古細菌。

“我們認為這意味著，以分解微生物和其他海洋生物產生的有機碳為食的微生物——除了通常消耗的有機碳外，它們還消耗大量無機碳，這意味著它們還負責固定一些二氧化碳，”桑托羅說。

“這真的很有趣，因為儘管我們知道這是理論上的可能性，但我們還沒有真正量化深海中碳的比例是由這些異養生物與自養生物固定的。現在我們知道了。”

重新思考深海食物網

新發現不僅僅是澄清誰在深度修復碳。它們還為深海食物網的組織和維持提供了新的見解。

“食物網在深海中如何運作的一些基本方面我們還不了解，我認為這揭示了食物網的基礎在深海中如何運作，”桑托羅說。

更深層的秘密

桑托羅和她的合作者在這一領域的進一步工作將深入研究海洋碳固定的更精細方面，例如氮循環和碳循環如何與海洋中的其他初級循環（包括鐵和銅）相互作用。

“我們試圖弄清楚的另一件事是，一旦這些生物體將碳固定到它們的細胞中，它如何被食物網的其他部分所利用？”我注意到了。 “哪些類型的有機化合物可能會從細胞中滲出，為食物網的其餘部分提供食物？”

本文的研究也是由加州大學舊金山分校的 Nicola L. Paul、Justin B. Albers 和 Craig A. Carlson 進行的；維也納大學的 Katharina Kitzinger 和 Michael Wagner，以及伍茲霍爾海洋研究所的 Mac A. Saito。