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深海热液羽流碳循环机制尚不明确。本研究聚焦瓜伊马斯盆地（Guaymas Basin）热液羽流，通过化学分析、放射性示踪及宏转录组技术，发现异养生产（最高 7.69 μg C L?1 d?1）远超化能自养，揭示 Gammaproteobacteria 等驱动有机碳降解，为深海碳循环研究提供新视角。
深海深处，热液喷口如同地球的 “海底烟囱”，持续向海洋释放着高温流体与化学物质，默默塑造着深海生态的独特面貌。长期以来，科学界普遍认为，深海热液系统的碳循环主要依赖化能自养代谢 —— 微生物通过氧化无机底物（如硫化氢、甲烷）固定无机碳，构成食物链的基础。然而，随着研究的深入，人们逐渐发现热液羽流中存在大量有机碳，但其代谢命运却一直笼罩在迷雾之中：这些有机碳如何被微生物利用？异养代谢在热液碳循环中究竟扮演着怎样的角色？是否存在与传统认知不同的碳循环模式？这些问题成为深海生态与生物地球化学领域亟待破解的谜题。
为了揭开这些谜团，美国佐治亚大学（University of Georgia）的 Andrew Montgomery、Samantha B. Joye 等研究人员，将目光投向了位于加利福尼亚湾的瓜伊马斯盆地 —— 这一独特的热液系统因岩浆侵入富含有机质的硅藻沉积物，形成了高浓度有机碳的热液流体，为研究异养代谢提供了理想的天然实验室。研究团队综合运用化学分析、放射性示踪技术（radiotracer techniques）和宏转录组学（metatranscriptomics）等手段，对热液羽流内外的有机碳代谢过程展开了深入探究。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为理解深海碳循环机制带来了突破性进展。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：
- 水化学分析：通过 CTD 温盐深仪采集热液羽流和非羽流区域的水体样本，测定溶解有机碳（DOC）、甲醇、乙酸盐、甲烷、铵等化学物质的浓度分布，明确热液输入的化学特征。
- 放射性示踪实验：利用 1?C 标记的甲醇、乙酸盐、甲胺、萘、十六烷等底物，测定微生物对不同有机碳的氧化和同化速率，量化异养代谢活性。
- 宏转录组分析：对微生物群落的功能基因表达进行测序和分析，鉴定参与异养代谢的关键微生物类群及代谢通路。
热液羽流的化学特征
在瓜伊马斯盆地的热液羽流区域，研究人员观察到显著的温度异常（最高 0.5°C）和浊度峰值，印证了热液羽流的存在。化学分析显示，羽流中铵浓度（0.6–6.3 μM）、溶解有机碳（DOC，最高 119 μM）和甲烷（最高 384 μM）浓度均显著高于非羽流区域。尤其是甲烷浓度，比非羽流区深海水中的浓度高出五个数量级，清晰勾勒出热液输入的 “化学指纹”。这些数据表明，热液流体向深海输送了丰富的有机碳和无机底物，为微生物代谢提供了物质基础。
甲醇与乙酸盐的代谢动态
甲醇和乙酸盐作为热液羽流中的主要有机底物，其代谢过程展现出惊人的活力。甲醇浓度在羽流中最高达 8.4 μM，乙酸盐浓度则相对均匀（3–8.9 μM）。放射性示踪实验表明，两者的氧化和同化速率在羽流中显著升高，尤其是在靠近热液喷口的区域。例如，喷口处甲醇氧化速率达 108 nmol L?1 d?1，乙酸盐同化速率高达 314.6 nmol L?1 d?1。宏转录组数据显示，Gammaproteobacteria 中的甲基球菌目（Methylococcales）、甲基 ophilaceae 家族及 UBA4486 类群，通过表达甲醇脱氢酶基因（xoxF）和乙酰辅酶 A 合成酶基因（acs），主导了甲醇和乙酸盐的代谢。值得注意的是，乙酸盐代谢速率与温度呈显著正相关，暗示热液流体的温度可能是调控代谢活性的关键因素。
异养生产与化能自养的对比
研究发现，异养生产速率（甲醇 + 乙酸盐同化）最高达 7.69 μg C L?1 d?1，远超过化能自养的暗碳固定速率（最高 5.12 μg C L?1 d?1）。在羽流区域，异养生产对总碳固定的贡献显著高于化能自养，尤其是在喷口附近，乙酸盐同化占总摄取量的 59%，甲醇同化占 85%。这一结果颠覆了传统观点，揭示了异养代谢在热液羽流碳循环中的主导地位。此外，宏转录组还检测到丰富的碳水化合物水解酶（CAZymes）和氨基转移酶转录本，表明除甲醇和乙酸盐外，其他有机底物（如碳水化合物、氨基酸）也在微生物代谢中发挥重要作用。
微生物群落的响应与生态意义
热液羽流中的微生物群落对有机碳输入表现出快速响应。Gammaproteobacteria 凭借其代谢多功能性，在异养代谢中占据核心地位，其高丰度和转录活性反映了对热液底物的高效利用。研究还发现，微生物群落的代谢活性与热液羽流的物理混合过程密切相关 —— 尽管热液流体在排放后迅速稀释，但羽流中的微生物仍能通过快速增殖和代谢，维持高水平的有机碳循环。这一现象表明，深海微生物群落具有极强的环境适应能力，能够在动态变化的热液环境中快速捕捉能量来源。
研究结论与意义
本研究首次通过直接测量和多组学整合，系统揭示了深海热液羽流中异养代谢的主导作用。结果表明，瓜伊马斯盆地热液系统通过释放高浓度有机碳（如甲醇、乙酸盐、DOC），显著刺激了异养微生物的活性，使得异养生产成为碳循环的主要驱动力。这一发现修正了以往对热液生态系统碳代谢的认知，强调了异养代谢在深海碳汇形成和全球生物地球化学循环中的重要性。此外，研究识别出的关键微生物类群（如 Gammaproteobacteria）及其代谢通路，为深入理解深海微生物的生态功能提供了新靶点，也为预测热液活动对深海碳通量的影响奠定了基础。
这项研究不仅拓展了人类对深海热液生态系统的认知，更提示我们：在全球碳循环的宏大画卷中，深海热液羽流中的异养代谢可能是一支尚未被充分重视的重要力量。未来，进一步研究不同热液系统中的有机碳代谢模式，将有助于更全面地评估深海在地球碳循环中的角色，为理解海洋生态系统对气候变化的响应提供关键线索。
