Suspended particles are hotspots of microbial remineralization in the ocean's twilight zone  

懸浮顆粒是海洋暮光帶微生物再礦化的熱點區域  

來源：Deep-Sea Research Part II, Volume 212, 2023, Article 105339  

《深海研究第二部分》第212卷，2023年，文章編號105339  

 

摘要內容

 

研究通過對比南大洋斯科舍海（冷、富氧）和本格拉寒流（暖、低氧）的數據，首次直接證明：  

懸浮顆粒主導再礦化：>90%的微生物再礦化與懸浮顆粒（沉降速度<10 m/d）相關，而非傳統認為的快速沉降顆粒（>25 m/d）（圖2）。  

 

 

快速周轉：懸浮顆粒的碳周轉時間極短（斯科舍海2.3天，本格拉寒流0.6天），比沉降顆粒快1-2個數量級（圖6）。  

 

 

環境調控機制：溫度和氧氣顯著調控微生物呼吸。本格拉寒流低氧區（20-86%飽和度）的懸浮顆粒呼吸速率受氧氣限制（圖4B），溫度升高（Q10=0.6 eV）加速呼吸（圖3B）。  

 

 

 

碳泵新認知：懸浮顆粒的高周轉挑戰了傳統“沉降顆粒主導碳衰減”模型，需結合非穩態粒子注入泵（如側向輸運）和化能自養作用平衡碳收支（圖7）。  

 

 

研究目的

量化懸浮顆粒與沉降顆粒對深海微生物呼吸的貢獻差異。  

 

揭示環境因子（溫度、氧氣）對顆粒有機碳（POC）周轉的調控機制。  

 

評估懸浮顆粒在海洋生物碳泵（BCP）中的關鍵作用及氣候響應。  

 

研究思路

采樣設計：  

 

使用海洋雪收集器（MSC）分離懸浮顆粒（上清液）和快速沉降顆粒（底部沉積物）。  

 

在斯科舍海（2017年11-12月）和本格拉寒流（2018年5-6月）采集45-750 m深度樣品。  

原位監測：  

 

Unisense微呼吸系統：直接測量顆粒的耗氧速率（圖5）。  

 

 

化學分析：POC/PON濃度（圖6）、孔隙水氨濃度（圖1）。  

控制實驗：  

 

 

溫度（5-18°C）和氧氣（9-240 μM O?）對呼吸的調控（圖3, 圖4）。  

模型驗證：  

 

非穩態模型模擬懸浮POC收支，結合衛星初級生產力和現場沉降速度（50 m/d）（圖7）。  

 

測量數據及研究意義

耗氧速率（圖5）  

 

數據：懸浮顆粒耗氧速率（斯科舍海1.12 μM C d?1，本格拉寒流6.4 μM C d?1）比沉降顆粒高4個數量級（0.9 nM C d?1）。  

 

意義：直接證明懸浮顆粒是微生物呼吸的主要底物，顛覆“沉降顆粒主導碳衰減”的傳統認知。  

碳周轉時間  

 

數據：懸浮顆粒碳周轉時間僅0.6天（本格拉寒流）和2.3天（斯科舍海），沉降顆粒為33天。  

 

意義：揭示懸浮碳庫的高活性，解釋為何深海POC濃度穩定但呼吸旺盛。  

C:N比與周轉關系（圖6C-D）  

 

數據：低C:N（富氮）顆粒周轉更快（R2=0.89），本格拉寒流相同C:N下周轉快于斯科舍海。  

 

意義：有機質質量（氮含量）和溫度共同調控周轉，預示變暖將加速深海碳循環。  

氧氣限制（圖4B）  

 

數據：懸浮顆粒呼吸速率隨氧氣降低線性下降（y=0.008x, p=0.01），本格拉寒流20μM O?時呼吸降低7倍。  

 

意義：證實低氧擴張（如OMZ）可能通過抑制呼吸增強碳封存效率。  

 

結論

懸浮顆粒的核心作用：占POC總量98%，支撐>90%微生物呼吸，是深海碳循環的“中心舞臺”。  

 

環境敏感性：  

 

溫度升高（Q10=0.6 eV）加速呼吸，本格拉寒流高溫貢獻53%的高周轉率。  

 

氧氣濃度直接限制懸浮顆粒呼吸，低氧區碳保存潛力增強。  

碳泵機制更新：  

 

沉降顆粒僅25-28%碳在500m內礦化，挑戰Martin冪律模型。  

 

需結合粒子破碎、側向輸運（本格拉寒流）和化能自養（硝化作用）平衡懸浮POC庫（圖7）。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中采用Unisense微呼吸系統（MicroRespiration System）以高精度（±0.01°C控溫，750μL-2mL微室）測量顆粒耗氧：  

區分顆粒呼吸貢獻（圖5）：  

 

通過線性回歸分析耗氧與POC濃度關系，量化懸浮顆粒呼吸中45%（斯科舍海）和13%（本格拉寒流）由溶解有機碳（DOC）驅動（圖5B）。  

 

意義：首次分離POC與DOC對呼吸的貢獻，揭示DOC在寡營養海區的關鍵作用。  

捕捉瞬時動力學（圖3-4）：  

 

溫度實驗：10小時內連續變溫（5-18°C），擬合獲得活化能0.6 eV（圖3B）。  

 

低氧實驗：精確控制初始O?（3-100%飽和度），揭示懸浮顆粒呼吸的氧依賴（圖4B）。  

 

意義：提供微生物呼吸對溫度/氧氣的瞬時響應參數，為預測變暖/脫氧對碳泵的影響提供實驗依據。  

原位條件校正：  

 

電極數據結合CTD剖面（圖1A-B），將實驗室速率校正至原位溫氧條件。  

 

意義：消除實驗偏差，使耗氧速率真實反映深海環境過程（如本格拉寒流400m呼吸降低1.7倍）。  

 

核心價值：Unisense電極的亞毫升尺度分辨率和高時間頻率（<24h孵育）首次實現了懸浮與沉降顆粒呼吸的精準區分，為深海碳循環模型提供了不可替代的原位動力學參數。