丝状蓝藻Trichodesmium的聚集与再矿化过程揭示海洋碳封存新机制

本研究针对海洋固氮蓝藻Trichodesmium在碳循环中的作用机制这一关键科学问题，通过创新性实验模拟其聚集沉降过程，首次量化了该藻类在1000米沉降过程中33%的有机碳和36%的氮能逃逸表层再矿化。研究揭示了细菌在碳输出中的双重角色，为全球生物地球化学模型提供了重要参数，对理解扩张中的亚热带海洋碳汇功能具有突破性意义。

　　

在浩瀚的海洋中，有一类被称为"海洋沙漠"的寡营养海域正随着气候变化不断扩张。这些海域的表层水体缺乏氮营养盐，却孕育着一种神奇的丝状蓝藻——Trichodesmium。作为海洋中最重要的固氮生物之一，它们通过将惰性的N₂转化为生物可利用氮，支撑着海洋初级生产力。然而长期以来，科学界普遍认为这些浮游生物仅局限在表层水体，其生物量会在上层海洋被完全再矿化，对深海碳封存的贡献微乎其微。

这一认知正被地中海海洋研究所(MIO, Mediterranean Institute of Oceanography)的Marion Fourquez团队的最新研究颠覆。发表在《ISME Communications》上的研究通过精巧的实验设计，首次量化了Trichodesmium在沉降过程中的碳氮保存效率，揭示了这类固氮生物在海洋碳泵中未被充分认识的重要作用。研究人员发现，这些看似脆弱的蓝藻群体竟能通过快速沉降逃逸表层的微生物降解，将大量有机碳输送到深海。

研究团队采用了三项关键技术：1）使用旋转培养箱(roller tanks)模拟自然条件下的聚集沉降过程；2）引入天然细菌群落作为再矿化因子；3）综合运用元素分析、流式细胞术和同位素标记法追踪碳氮动态。实验设计模拟了1000米水柱的沉降过程，以100 m d^-1的沉降速率持续10天，期间系统监测了颗粒有机碳(POC)、溶解有机碳(DOC)、细菌生产力和营养盐等关键参数的变化。

3.1. 碳氮收支平衡
实验数据显示，初始POC为843±44.6 μmol C，经过10天模拟沉降后，33%的POC和36%的PON得以保存。特别值得注意的是，再矿化主要发生在沉降初期(0-500米)，这与经典的Martin曲线预测相符。C:N比值稳定在5.2-5.6之间，表明碳氮的再矿化过程保持相对平衡。

3.2. 细菌丰度与生产力
细菌在沉降过程中表现出双重角色：既是主要的再矿化者，又是碳输出的贡献者。数据显示，附着在聚集体上的细菌生产力高达1117±12.8 μgC L^-1 d^-1，占总细菌生产力的主要部分。通过计算发现，实验结束时细菌生物量贡献了总POC的22%，显著高于初始的1.4%。

3.3. 技术局限性讨论
虽然实验室条件无法完全模拟自然环境的复杂性，但研究者通过控制温度(23°C)、排除摄食者干扰等措施，创造了一个理想的再矿化环境。实验采用的100 m d^-1沉降速率是基于前期研究确定的保守估计，实际自然环境中Trichodesmium聚集体的沉降速度可能更快，这意味着在自然条件下其碳封存效率可能被低估。

这项研究最终得出两个突破性结论：首先，Trichodesmium通过快速沉降能够将约三分之一的生物量输送到1000米以深海域，逃逸表层的再矿化过程；其次，附着在聚集体上的细菌不仅是降解者，其自身生物量的积累也构成了碳输出的重要组成部分。根据全球固氮速率估算，Trichodesmium每年可能贡献51.5-72.3 Tg C的深海碳封存，相当于全球生物泵通量的25.8%-36.2%。这一发现不仅改写了我们对海洋固氮生物生态功能的认知，更为准确预测气候变化背景下海洋碳汇的变化提供了关键参数。研究团队特别强调，未来的全球生物地球化学模型必须纳入这一曾被忽视的碳输出途径，才能更准确地预测海洋在调节气候变化中的作用。