养殖糖海带（*Saccharina latissima*）有机碳的生产、生物降解与难降解性

《Environmental Science & Technology》：Production, Biodegradation, and Recalcitrance of Organic Carbon from Cultivated Saccharina latissima in Norway

　　

大型藻类养殖过程中释放的颗粒有机碳（POC）和溶解有机碳（DOC）已被证明会导致碳埋藏并输出到开阔大洋和深海。DOC中的难降解部分（RDOC）是碳封存的关键贡献者，也是一个主要的知识空白。研究人员调查了欧洲主要养殖品种糖海带（*Saccharina latissima*）释放的DOC的生产和生物可利用性，重点关注RDOC的量化。DOC释放速率在24小时内为0.5–1.4 mg C g(dw)^?1 h^–1，经过187天生物降解后浓度稳定在初始水平的37–79%（平均58%）。该海带释放了920种（17%）独特化合物，包括大量含硫分子（CHOS、CHONS）。尽管CRAM分子（羧基丰富脂环族分子）存在微小变化，但在海带和对照处理中观察到难降解性增加。微生物生物降解产生了1,805种（34%）新分子，其中1,207种出现在难降解溶解有机物（DOM）组分中。稳定性岛屿（IOS）分析显示，海带处理中强度加权丰度为0.2%的RDOC在地质时间尺度上具有持久性。除了其生物质应用外，大型藻类养殖可通过在生长期连续释放和降解DOC及POC产生RDOC，从而实现可扩展的海洋CO₂封存，这本身就是一个增值产品。

**论文解读：养殖糖海带（*Saccharina latissima*）有机碳的生产、生物降解与难降解性**

**研究背景与问题：**
海洋溶解有机碳（DOC）是地球上最大的还原碳储库，约660 Pg C，与大气碳储量相当。颗粒有机碳（POC）库则约为2至20 Pg C。海洋通过海-气界面吸收了自19世纪中叶以来约25%的人为碳排放。因此，从海洋中去除CO₂可降低大气CO₂浓度。大型藻类养殖或海藻林恢复被视为基于生物/自然的海洋二氧化碳去除（mCDR）解决方案。然而，大多数大型藻类物种在DOC的季节性生产、分子组成、生物可利用性及其转化为难降解DOC（RDOC）方面仍存在显著知识空白。RDOC占全球海洋DOC的90%以上，是全球碳循环中的长期缓冲剂，但量化其形成过程及持久性对于评估大型藻类养殖的碳封存潜力至关重要。本研究旨在量化养殖糖海带（*Saccharina latissima*）释放的DOC的生产与生物降解，并重点分析其分子组成与难降解性，以填补这一关键知识缺口。

**研究内容与结论：**
研究人员通过两部分培养实验（生产实验与生物降解实验），结合细菌群落组成分析、DOM分子组成（傅里叶变换离子回旋共振质谱，FT-ICR MS）及难降解性评估，揭示了糖海带释放的有机碳的转化过程。主要结论包括：DOC释放速率在24小时内为0.5–1.4 mg C g(dw)^?1 h^–1；187天生物降解后DOC浓度稳定在初始水平的37–79%（平均58%）；海带释放了920种独特化合物，其中含硫分子（CHOS、CHONS）占比较高；微生物降解产生了1,805种新分子，其中1,207种进入难降解DOM组分；稳定性岛屿（IOS）分析显示海带处理中0.2%的DOC具有地质时间尺度的持久性。该研究发表在《Environmental Science》上，表明大型藻类养殖可通过RDOC的持续生产实现可扩展的海洋CO₂封存，为mCDR提供了新的数据支撑。

**主要关键技术方法：**
本研究采用了两部分培养实验：生产实验（72小时，光照/黑暗处理）和生物降解实验（187天，4℃和10℃）。样本来自挪威特隆赫姆峡湾80米深度的海水，以及2022年1月部署、5月采集于Skarv?ya, Hitra（63°39′0″N, 8°38′57″E）养殖场的糖海带。主要技术包括：DOC和POC浓度测定（TOC-L分析仪）、FT-ICR MS（电喷雾电离负离子模式）分析DOM分子组成、细菌群落16S rRNA基因扩增子测序（DNBSEQ平台）、以及稳定性岛屿（IOS）分析用于评估难降解组分的长期持久性。

**研究结果：**

**3.1 DOC和POC的生产：** 通过光照/黑暗培养实验发现，光照处理的海带（kelpL）表现出强光合活性，DOC浓度显著高于对照组（p < 0.05），POC浓度在48–72小时急剧上升（56.4–67.0 μM），显著高于对照组（p = 0.0016）。黑暗处理的海带（kelpD）以呼吸作用为主，DOC和POC产量较低。光照处理中固定碳的4.3–6.5%以DOC形式释放，1.5%以POC形式损失。

**3.2 海带来源DOC的生物降解：** 通过187天生物降解实验，DOC浓度在15天达到峰值（871–957 μM），60天后大部分被消耗，之后缓慢下降并趋于稳定。最终DOC剩余量为257–307 μM，占初始水平的37–79%（平均58%），两个温度（4℃和10℃）之间无显著差异（p = 0.9192）。

**3.3 DOC分子组成与难降解性：** FT-ICR MS分析共鉴定出5,303种独特分子式。海带处理中CHON、CHOS和CHONS化合物丰度比对照组高14%。微生物降解产生了1,805种新分子。难降解组分（MLBR）的强度加权相对丰度在海带处理中增加5.1–7.6%，是对照处理的两倍。CRAM分子（羧基丰富脂环族分子）数量在海带处理中略有增加，而强度加权CRAM比例（% CRAM_wa）轻微下降。稳定性岛屿（IOS）分析显示，海带处理中0.2%的DOC具有地质时间尺度的持久性。

**3.4 细菌群落组成与丰度：** 细菌群落分析显示，海带表面组织引入了独特的细菌类群（如Verrucomicrobiales、Chitinophagales等），导致海带处理与对照组之间群落组成显著差异（p < 0.001）。生物降解过程中，Gammaproteobacteria相对丰度下降，Alphaproteobacteria和Bacteroidia增加。群落演替最终导致物种丰富度增加，但Shannon多样性指数无显著差异。

**讨论与结论：**
讨论部分指出，环境条件会影响RDOC的生产潜力，欧洲需要显著扩大养殖规模并降低成本。模型工具对于估算复杂生物-物理-化学因素下的RDOC生产至关重要。研究结论强调，糖海带释放的DOC在生物降解后稳定部分（MLBR）可视为半难降解DOC（SRDOC），其长期持久性仍需通过建模方法评估。本研究的成果为欧洲主要养殖品种的RDOC生产提供了新数据，所采用的方法可为海洋碳去除的监测、报告与核查（MRV）框架提供参考，以满足IPCC等利益相关方的需求。