南方科技大学李芯芯团队全球首次揭示深渊海沟水体有机碳源汇过程

海洋最深处的深渊海沟（水深>6000米）具有特殊的V型结构。由于采样困难，海沟研究成为海洋科学研究的最后前沿。深渊海沟生物地球化学过程与普通的深海平原一样吗？我们可以从三千米的海洋研究结果推测深渊海沟的相关过程吗？所有这些问题都促使全球海洋科学家探索这个神奇而未知的领域。近日，南科大海洋系李芯芯团队围绕深渊海沟水体有机碳研究，全球首次量化了深渊海沟有机碳的源汇过程和影响机制，为解密深渊海沟碳汇提供了全新认识。

                               
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6 N0 A  T' x4 ]- F0 }海洋可以将大气中的二氧化碳吸收并固定，是全球最大的活跃碳汇系统，在实现碳中和目标中发挥重要作用，因此海洋碳汇过程和机制研究成为目前的热点课题。海洋真光层的浮游植物可以吸收大气中的二氧化碳，通过光合作用生成颗粒有机碳，然后在重力等作用下沉降至海底，使深海发挥碳储库作用，实现海洋碳汇目标，这对调节全球气候变化具有重要作用。然而这些生成的颗粒有机碳有多少可以抵达深渊海沟？抵达深渊海沟的颗粒有机碳如何抵御万米水深沉降过程中的微生物降解？深渊海沟还有其他的有机碳来源吗？围绕这些科学问题，李芯芯研究团队与国内外知名海洋科学研究单位合作，通过测定极端水体颗粒有机碳、黑暗固碳速率和微生物呼吸速率，量化了深渊海沟水体有机碳的源汇过程和影响机制，相关成果以“High variability in organic carbon sources and microbial activities in the hadopelagic waters”为题发表于海洋科学领域一区TOP期刊Limnology and Oceanography。
用对海洋的热爱，开启深渊海沟探索之旅
* m$ M+ D( x  R/ Y) M# O和大多数海洋科学家一样，李芯芯老师对深海，尤其是深渊海沟充满向往和好奇。深渊海沟研究以前受到技术和装备费用等方面的极大限制，鲜有研究成果。然而，随着科技的发展，最近十几年深渊海沟研究有了突飞猛进的发展，但依然属于海洋科学研究的最前沿，仍然有无穷的未知等待我们去探索。
虽然已经有过七次海洋科考经历，但当得知有机会参与阿塔卡马海沟（Atacama Trench）研究时，一直从事近海河口工作的李芯芯老师非常兴奋。她带领团队经历了一年多的文献调研，与海洋系及国内外同行反复研究讨论，最终确定了海沟水体颗粒有机碳的循环代谢过程及微生物活动的影响这一科学问题，并设计了一套从测量微生物固碳（有机碳源）到微生物呼吸作用（有机碳降解过程）的实验方案。紧接着，李芯芯老师和博士生赵昕跨越了半个地球，从智利圣安东尼奥码头出发，到厄瓜多尔瓜亚基尔市下船，历时40天，完成了“太阳号”阿塔卡马海沟航次调查。
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& Z+ y- X6 U( K6 {* y参加阿塔卡马海沟航次科学家甲板上合影
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8 Q/ B* F& ^# c" N! P; D4 s李芯芯与博士生赵昕
+ N1 ~. G) Q; t5 p解答有机碳来源问题，为深渊海沟碳汇研究提供新视角
在知名的德国“太阳号”科学考察船上，李芯芯团队与全球15个国际知名海洋研究团队合作，一起布放回收海沟着陆器，并通过交流合作不断完善相关实验方案，收集了大量实验数据和分析样品。
团队通过万米水深采水器，首次对阿塔卡马海沟站位采集全水深样品（图1）进行了颗粒有机碳含量及其代谢与合成过程的生物地球化学综合分析。结果显示，深渊海沟水体颗粒有机碳表现出与上覆深海水体完全不同的性质（图2），具有高度变异性，反映了海沟内部复杂和强烈的沉积动力学。

                               
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图1 SO261航次沿阿塔卡马海沟的采样点。色标代表水深，以米为单位。A7代表深海参考站位，其余站位为海沟站位。
论文首次量化了深渊海沟水体微生物化能自养来源合成的有机碳（图2），其数值可达本海区真光层初级生产力的2.9±0.4%，对海沟内生命的维持及碳储存具有重要意义。同时，颗粒有机碳的降解，即微生物群落呼吸指标在6个站位随深度的变化呈现不同的特征，但都是以0.8–3.0 μm微生物呼吸为主导，其呼吸在不同站位，不同水深的占比可达71±12%。这也说明颗粒物是深渊海沟微生物活动的重要“热点”区域（图3）。

                               
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图2 A2、A4和A6站位颗粒有机碳（POC）和黑暗固碳（Darkcarbonfixation，DCF）速率的深度剖面。（a）中阴影表示POC拟合的归一化幂函数的95%置信区间。
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图3 阿塔卡马海沟各站位的颗粒附着态（PA，>0.8 µm）和自由生活态（FL，0.2–0.8 µm）的微生物群落呼吸指标（Microbial Community Respiration Proxy，μmol C m-3 d-1）。灰色、橙色和深蓝色条分别代表表层海洋、深海和海沟。黑色折线表示每个站位中颗粒附着态的微生物群落呼吸指标占总群落呼吸指标的比例（%）。
本研究结果深化了我们对深渊海沟有机碳循环过程的理解，填补了海沟“表–底”层耦合理论中全水体研究的空白，为海沟碳循环研究提供了有力的数据支持和认识创新。这对评估海沟对全球海洋碳收支平衡的贡献，了解和开发深海碳汇，实现海洋的“碳中和”作用具有重要科学意义。
- c* p* X* b) H' P4 W4 f# U本研究由海洋系李芯芯副教授及其博士生赵昕联合厦门大学、南丹麦大学、德国AWI极地研究中心、智利康赛普西翁大学等多家国内外研究院所合作开展，受国家自然科学基金委，欧洲研究基金会、深圳市国际合作基金等资助。
! s5 y% [+ f9 S: D' A- h五年征程“碳”寻深渊海沟，系列突破性成果助力我国深海研究
4 w6 t# p3 c8 L' J7 h: \" M+ I航次五年多来，李芯芯老师带领团队成员多次参与国内外海沟会议，并于2019年受邀前往丹麦参加航次阶段性研讨会，对从水体到沉积物，从深海平原到海沟最深处的物理化学参数，水体有机质、微生物活动，海沟内新物种的发现，沉积物的年龄，元素循环，有机污染物及微塑料等多个方面进行深入探讨。李芯芯老师围绕“微生物净固碳过程对智利海沟有机碳循环的影响”，多次与南丹麦大学、美国Scripps 海洋研究所、智利康赛普西翁大学等机构的科研人员重点展开了数据讨论。同时，李芯芯老师也积极邀请航次中优秀的科学家们来南科大交流讨论，增强国际海沟研究的合作交流，为下一步工作奠定了坚实基础。
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: t, ?3 `- t' w围绕深渊海沟研究，李芯芯团队近年来取得了一系列重要进展，培养了一批深海科学研究后备力量。其中，发表于《Journal Geophysical Research: Biogeosciences》的研究题为“Distribution, source, and burial of sedimentary organic carbon in Kermadec and Atacama Trenches”，揭示了阿塔卡马海沟沉积物中陆源有机碳的比例高于较浅的深海平原站位，这一发现被美国地球物理联合会（AGU）周刊EOS选为“研究热点”（Research Spotlight）报道。团队还在中文核心刊物《海洋与湖沼》上发表文章“阿塔卡马海沟表层水颗粒有机碳与微生物群落呼吸作用的时空变化研究”， 深入探索了表层水体微生物驱动的有机碳循环过程，被选为当期封面文章。此外，在《Regional Studies in Marine Science》杂志发表了题为“Vertical distribution of size-fractionated bacterial communities in the water column of the Atacama Trench”的研究论文，这是第一篇有关阿塔卡马海沟水体分粒径细菌群落的研究报道，为深入了解极端环境细菌的多样性和分布提供了全新认识。
# }7 V% I1 y: S+ n- T  B% O随着研究的深入，团队在“碳”寻征程中取得很多有趣的深海发现，一系列的研究成果极大助力了我国的深海科学研究。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/lno.12379
课题组其他海沟相关成果链接：
https://doi.org/10.1029/2020JG006189
http://dx.doi.org/10.11693/hyhz20200600163
Eos.org：
https://eos.org/research-spotlights/a-deep-dive-into-organic-carbon-distribution-in-hadal-trenches
https://ocean.sustech.edu.cn/views/detailed_article.html?id=1698
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信息来源：南科大海洋系。
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