西冰洋晚夏生物泵中微生物群落对碳输出的贡献机制解析

这篇研究通过海洋雪捕集器(MSC)分析西冰洋次表层叶绿素最大值层(SCM)的悬浮与沉降颗粒微生物群落，发现真核生物群落结构在颗粒类型间差异显著（PERMANOVA p<0.01），而原核生物差异体现在更精细分类水平。碳沉降通量(68.7-774 mg C m?2 d?1)与叶绿素a显著正相关，并首次识别出甲藻寄生虫(Syndiniales)、卵菌(Peronosporomycetes)和脱硫杆菌门(Desulfobacterota)等非经典贡献者。研究为气候变化下北极生物泵的微生物驱动机制提供了新认知。

　　

引言

海洋生物泵通过将表层光合作用产生的颗粒有机碳(POC)输送到深海，在全球碳循环中起关键作用。西冰洋近年因海冰消退经历显著环境变化，可能影响该过程。传统研究多聚焦于硅藻等可见类群，而分子技术的应用揭示了更多微生物参与者的潜在作用。本研究首次在西冰洋通过同步采集悬浮与沉降颗粒，系统分析了两类颗粒的微生物群落差异及其与碳输出的关联。

材料与方法

2019年9-10月利用R/V Mirai考察船在西冰洋10个站点（涵盖白令海峡至波弗特海）采集SCM层样品。通过MSC设备分离悬浮与沉降颗粒，测定环境参数（温度、盐度、叶绿素a、营养盐）及碳氮通量。采用18S/16S rRNA基因测序分析真核/原核群落，使用WGCNA网络分析和PLS回归探究微生物模块与碳通量的关系。

结果

环境特征与碳通量

碳沉降通量范围68.7-774 mg C m^?2 d^?1，与总叶绿素a浓度显著正相关（p<0.001），而与沉降颗粒的C/N比负相关（p<0.05），表明高生产力区域输送更多富氮颗粒。

微生物群落差异

真核生物中，甲藻(Dinoflagellata)在沉降颗粒中占比最高（除St.33外），而异养纤毛虫(CONThreep)和裸甲藻(Gymnodiniphycidae)显著富集于沉降颗粒（log₂FC分别为-2.22和-2.41）。悬浮颗粒则富集定鞭藻(Prymnesiales)和MAST类群（log₂FC达6.93）。原核生物中，γ-变形菌(Alteromonadaceae)和脱硫杆菌科(Desulfocapsaceae)在沉降颗粒中显著富集，而古菌Marine Group II偏好悬浮颗粒。

碳通量关联模块

WGCNA识别出ME6/ME7两个模块与碳通量显著正相关（r=0.96/0.58）。ME6以硅藻(48.8%)和甲藻(24.2%)为主，包含高VIP值的Syndiniales寄生虫(5.5%)和卵菌(11.8%)；ME7则以硅藻(82%)为核心。PLS回归证实这些模块可预测碳通量（R²=0.95/0.64）。

讨论

非经典贡献者的作用

研究发现寄生虫Syndiniales与碳通量正相关，不同于亚热带研究的负相关，可能反映高通量区寄生虫-宿主共沉降的增强效应。脱硫杆菌门在富氧水体中的出现，暗示颗粒微环境的缺氧特性。

气候变化启示

随着北极海冰消退和生产力上升，生物泵通量可能增加，但需考虑微生物群落演替（如寄生虫调控）的复杂影响。未来需结合地球系统模型和关键物种生态学研究，以准确预测碳汇变化。

结论

该研究揭示了西冰洋生物泵中微生物的颗粒类型特异性分布，并首次明确寄生虫和硫循环菌等次要类群的贡献，为理解快速变化北极的碳循环机制提供了新视角。