溶解有机质氧化态调控海洋异养细菌呼吸与生长效率的机制研究

本研究针对海洋碳循环中溶解有机质(DOM)氧化态如何影响异养细菌呼吸(BR)和生长效率(BGE)这一关键科学问题，通过北大西洋涡旋系统实验，结合LC-MS/MS和16S rRNA测序技术，发现高氧化态DOM会提升表观呼吸商(ARQ)至1.39±0.14，降低BGE，揭示了OM43等菌群通过部分氧化反应促进碳氧解耦联的新机制，为海洋碳通量估算提供了生化过程层面的理论支撑。

　　

海洋作为地球最大的碳汇，其微生物驱动的碳循环过程一直是全球变化研究的核心议题。在阳光照射的表层海水中，浮游植物通过光合作用固定二氧化碳，同时释放大量溶解有机质(DOM)。这些DOM如同海洋中的"液态阳光"，滋养着数量庞大的异养细菌群落。然而令人困惑的是，观测到的细菌呼吸耗氧量往往超出理论预测，这种"碳氧失衡"现象长期困扰着海洋生物地球化学研究。更棘手的是，随着全球变暖加剧，海洋缺氧区持续扩大，准确量化微生物呼吸过程对预测未来海洋碳汇功能至关重要。

美国加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)的Carlson团队在《Communications Biology》发表的研究，首次系统揭示了DOM化学特性与细菌代谢效率的内在联系。研究人员在北大西洋中脊涡旋系统开展了为期24天的航次，采集5-125米不同深度的水样，通过创新的"暗DOM矿化生物测定"实验，结合高分辨率质谱和分子生物学技术，解开了海洋碳循环中这个长期存在的谜团。

研究采用多学科交叉方法：①建立暗DOM矿化生物测定系统，同步监测O₂、TOC和细菌碳(BC)动态；②应用LC-MS/MS解析13,547个分子特征，计算名义氧化态(NOSC)；③通过16S rRNA基因测序追踪细菌群落演替；④采用INT法验证呼吸速率；⑤运用CANOPUS算法预测化合物类别。所有实验均在严格控制的黑暗条件下进行，模拟真实海洋环境。

研究结果部分呈现了系列重要发现：

Assessing bioassay assumptions

模型化合物验证实验证实，葡萄糖和谷氨酸的完全氧化呈现1:1的TOC去除与TCO₂产生关系，ARQ值与理论预测相符(1.0-1.1)，验证了实验设计的可靠性。

Remineralization rates and RQs

现场实验测得ARQ平均达1.39±0.14，显著高于传统理论值。加权模型II回归显示O₂消耗存在0.12μM d^-1的"超额耗氧"，暗示存在DOM完全氧化之外的耗氧过程。

Observed ARQs vs. predicted RQs

当假设氮以NO₃^-形式释放时，实测ARQ与模型化合物预测值高度吻合，且氨基酸去除率越高，ARQ值越大(1.5-1.6)。

Tandem mass spectrometry-based DOM composition

LC-MS/MS鉴定显示被利用DOM主要含有机酸(52%)和有机杂环(12%)。NOSC值(-0.9~-0.6)与异养细菌代谢活性显著相关，高氧化态DOM对应更高呼吸速率和更低BGE。

Total dissolved amino acids

氨基酸碳贡献了高达30%的TOC去除，其中谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸和亮氨酸去除最为显著。TDAA去除率与NOSC呈负相关(R=-0.80)，证实氮化物代谢对ARQ的调控作用。

16S Bacterioplankton community composition

16S测序揭示OM43、SAR92和Rhodobacteraceae等菌群在实验后期显著增殖。Shannon多样性指数与BGE负相关，表明群落复杂性增加伴随代谢效率降低。

研究结论部分提出了创新性解释框架：海洋异养细菌对DOM的代谢存在"双重耗氧"机制。一方面，高氧化态氮化物(如氨基酸)的降解需要更多O₂将氨基转化为NO₃^-，推高ARQ；另一方面，OM43等菌群通过部分氧化反应(如甲基糖脱甲基化)产生甲醇等C1化合物，造成"碳氧解耦联"。这两种机制共同导致实测ARQ高于传统理论预测。

该研究的科学价值主要体现在三个方面：首先，建立了DOM化学特性与微生物代谢效率的定量关系，填补了表层海洋碳循环模型的关键参数空白；其次，揭示了细菌群落通过部分氧化反应改变DOM氧化态的新机制，为解释深海DOM化学组成演变提供了新视角；最后，研究强调传统基于O₂测量的呼吸估算可能低估实际碳周转，这对全球海洋碳汇评估具有重要启示。随着生物地球化学传感器网络的普及，这项研究为解读海洋溶解氧观测数据提供了至关重要的生化过程依据，将显著提升未来海洋碳通量预测的准确性。