微生物粒径谱差异揭示海洋暮光带颗粒有机碳转化的群落功能分化

海洋暮光带是颗粒有机碳(POC)再矿化的关键区域，但其微生物群落与代谢功能的关联机制尚不明确。中国科学院深海科学与工程研究所等团队通过大体积原位采样结合宏基因组分析，首次揭示了东南亚时间序列站(SEATS)、南海冷泉区和西南印度洋热液区暮光带不同粒径颗粒(1-10μm、10-50μm、>50μm)附着微生物的群落差异。研究发现小粒径颗粒具有更高的碳降解基因丰度，且群落功能在暮光带上下边界呈现显著转变，为理解海洋碳泵效率的微生物驱动机制提供了新见解。

　　

海洋深处100-1000米的暮光带(twilight zone)如同地球的"代谢引擎"，每年吞噬着70%以上从表层沉降的颗粒有机碳(POC)。这个神秘的水层就像巨大的生物过滤器，其微生物活动直接决定了有多少碳能被封存至深海。然而，这个关键界面的微生物如何通过粒径分异驱动碳转化，始终是海洋碳循环研究的盲区。

中国科学院深海科学与工程研究所联合香港科技大学等机构的研究人员，创新性地采用大体积原位水体转移系统(MULVFS)，在东南亚时间序列站(SEATS)、南海北部冷泉区(NSCS)和西南印度洋热液区(SWIO)系统采集了1-10μm、10-50μm和>50μm三个粒径段的颗粒附着微生物。通过宏基因组测序和代谢重建，首次绘制了暮光带微生物的粒径-功能图谱。

研究团队运用了三大关键技术：1) 500升大体积海水多级过滤系统实现不同粒径微生物的精确分离；2) 宏基因组组装基因组(MAGs)技术重建122个中高质量基因组；3) 碳水化合物活性酶(CAZy)数据库注释解析碳降解潜能。结合环境参数测定，建立了微生物群落-粒径-代谢功能的关联模型。

微生物群落结构呈现显著粒径分异
通过UPGMA和非度量多维标度(nMDS)分析发现，SEATS站的微生物多样性显著低于其他区域，这可能与该区域较低的硝酸盐和POC浓度有关。小粒径(1-10μm)颗粒富集Pelagibacterales(α-变形菌)，而大颗粒(>50μm)更偏好Alteromonadales(γ-变形菌)。值得注意的是，1-10μm颗粒虽然多样性最低，却携带了最丰富的碳代谢基因。

粒径效应驱动碳转化效率
KEGG通路分析显示，1-10μm颗粒微生物具有完整的脂肪酸降解、丙酸/丁酸利用途径，以及ABC转运体(livGHMK)等营养摄取系统。这与南海沉积陷阱数据相呼应——该粒径段贡献了26-35%的POC通量。小颗粒更大的比表面积为其附着微生物提供了更多"攻击位点"，加速了有机质降解，使其更易在暮光带被再矿化而非沉入深海。

暮光带边界的代谢转换
从200米(上边界)到800米(下边界)，微生物功能呈现明显转变：下层富集更多难降解碳分解基因，如木质素/几丁质降解相关酶类。Bacteroidota(拟杆菌门)的MAGs携带了最丰富的CAZy酶系，特别是靶向α/β-多糖的GH43和GH3糖苷水解酶。Verrucomicrobiota(疣微菌门)和Poribacteria等罕见类群也表现出强大的胞外多糖降解潜力。

区域特异性功能适应
在寡营养的SEATS站，Alteromonadales和Rhodobacterales成为优势菌，它们分泌胞外聚合物捕获营养的特性适应了低营养环境。而营养丰富的NSCS则富集Planctomycetales(浮霉菌目)等能降解硫酸化聚合物的类群。SWIO热液区则因特殊的地球化学条件，形成了以Propionibacteriales(丙酸杆菌目)为核心的独特群落。

这项发表于《Microbiome》的研究首次系统揭示了暮光带微生物通过粒径分异实现碳转化的精细机制。小颗粒微生物作为"高效降解者"的角色，修正了传统认知中"大颗粒主导碳沉降"的观点。研究提出的粒径-功能框架为预测海洋碳泵效率提供了新维度，其中Bacteroidota、Verrucomicrobiota等关键类群的代谢潜力，将成为未来海洋碳循环模型的重要参数。

值得注意的是，该研究也揭示了区域环境差异对微生物功能的塑造作用——在气候变化背景下，表层生产力的变化可能通过改变沉降颗粒特性，级联影响暮光带的碳封存效率。作者建议未来结合宏转录组和同位素示踪技术，进一步验证这些代谢潜力的实际贡献，为全球碳预算提供更精确的微生物约束。