甲烷渗漏沉积物中厌氧甲烷氧化与黑暗碳固定的耦合机制及其对海洋碳循环的启示

本研究针对海洋沉积物中有机碳来源的关键科学问题，通过分析南海GMGS2–16站位的总有机碳(TOC)、碳同位素(δ13C-TOC)及微量元素数据，揭示了硫酸盐-甲烷转换带(SMTZ)内厌氧甲烷氧化(AOM)驱动黑暗碳固定(DCF)的耦合机制。研究发现Gammaproteobacteria通过利用AOM产物硫化氢实现碳固定，为近岸沉积物碳汇贡献提供了新认知，对理解全球碳循环具有重要意义。

　　

在深邃的海洋底部，存在着一个不依赖阳光的神秘碳工厂——黑暗碳固定(Dark Carbon Fixation, DCF)。这一过程由化能自养微生物主导，通过将无机碳(CO₂)转化为有机碳，每年贡献约370太克碳的全球碳汇，其中近半数发生在近岸沉积物中。然而，驱动这一过程的关键能量来源和微生物机制始终是未解之谜。与此同时，硫酸盐-甲烷转换带(Sulfate-Methane Transition Zone, SMTZ)作为甲烷渗漏系统的核心区域，其内发生的厌氧甲烷氧化(Anaerobic Oxidation of Methane, AOM)会产生大量还原性物质如硫化氢(H₂S)。这些化学物质是否可能成为DCF的"燃料"？来自中国的研究团队通过对南海北部陆坡GMGS2–16站位的多参数分析，首次揭示了AOM与DCF的协同作用机制。

研究团队运用了沉积物地球化学分析（包括TOC含量、δ¹³C_-TOC同位素测定、微量元素富集模式）、微生物群落分析（重点关注Gammaproteobacteria的分布）以及沉积环境重建技术（通过U/Mo比值和硫化物特征判断氧化还原条件）。样本来自南海北部871米水深的230米沉积柱，覆盖44万年的地质记录。

有机碳与碳同位素特征
数据显示SMTZ及其古对应层(paleo-SMTZ)的有机碳含量达背景值的两倍(最高1.3 wt%)，δ¹³C_-TOC出现显著负偏(-24.49‰和-22.96‰)。这种"富集伴随同位素轻化"的特征排除了陆源输入主导的可能性，C/N比值及与营养元素的负相关性进一步证实有机碳主要源自原位微生物活动。

关键元素与微生物证据
U、Mo的富集及黄铁矿的存在表明碳固定发生在缺氧-硫化环境中。值得注意的是，Gammaproteobacteria在SMTZ的显著富集(占比40–70%)，这类已知能通过硫化氢氧化进行化能自养的微生物，成为连接AOM与DCF的关键生物媒介。

耦合机制解析
研究提出创新性模型：AOM产生的H₂S和HCO₃^-被Gammaproteobacteria利用，前者作为能量来源，后者作为碳源，共同驱动DCF过程。这种耦合解释了为何在毫米级的SMTZ界面能维持极高的碳固定速率(最高36.30 mmol/(m²•d^-1))。

这项发表于《Global and Planetary Change》的研究，首次系统论证了AOM与DCF的协同关系，揭示了近岸沉积物作为"隐形碳汇"的运作机制。其意义不仅在于完善了全球碳循环模型，更暗示了甲烷渗漏系统可能通过"甲烷氧化-碳固定"的级联反应，意外地促进了碳封存。未来研究可进一步量化这一过程对全球碳预算的贡献，并为评估人类活动对深海碳循环的影响提供理论框架。