科技前沿▏焦念志院士:微生物碳泵理論揭開深海碳庫跨世紀之謎的面紗

作者:溪流之海洋人生  來源/微信公眾號:xiliu92899 發布日期:2019-10-28

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深海碳庫成因之謎
氣候變化是當今最大的全球性環境問題。
人類活動導致大氣二氧化碳(CO2)持續升高是加劇氣候變化的主因。海洋是地球上最大的碳庫,吸收了工業革命以來人類活動排放CO2的1/3,是全球氣候變化的“調節器”。海洋碳庫調節氣候變化的主要組分是溶解在水里的有機碳(DOC)。
一方面,海洋DOC總碳量與大氣碳庫相近,如果與大氣有交換,則勢必影響氣候變化。
另一方面,海洋DOC中約95%是生物難以降解的惰性溶解有機碳(RDOC),海洋RDOC的平均年齡約5 000年,RDOC的積累可以緩解氣候變化。
早在半個世紀之前,科學家們就認識到RDOC碳庫的重要性,然而其成因卻一直是個懸而未決的科學難題,美國科學家在《自然》雜志刊文稱其為難解之謎(Enigma)。
海洋微生物碳泵——揭開深海碳庫成因之面紗
海洋微生物碳泵(Microbial Carbon Pump, MCP),指的是海洋微生物的生理生態過程與生物地球化學過程把有機碳從可被利用的活性態轉化為不可利用的惰性溶解有機碳,從而長期封存的儲碳機制(圖1)。
圖1 微生物碳泵(圖中右側的泵狀示意圖)——海洋微生物把有機碳從活性有機碳轉化為惰性溶解有機碳,從而實現對碳的長期封存
RDOC的不可利用性有兩種形式,一種是化學結構復雜、難被降解的有機碳,另一種是濃度極低而多樣性很高的一類有機碳。二者對應于相應的學說,前者叫 “結構惰性假說”,后者叫“稀釋假說”。
我們在南海的實際研究以及其他國際同行的研究結果都表明,結構惰性的有機碳是深海RDOC的主要貢獻者。特別是在加拿大的Aquatron大型海洋生態系統實驗體系(水體117 000升)進行的長周期生態模擬實驗,不僅證實微生物碳泵儲碳機制的客觀存在,而且證明微生物碳泵效率極高,在不到一年的時間里即可把浮游植物產生的活性DOC轉化成與南海深海中RDOC十分接近的化合物(圖2)。
圖2 微生物碳泵在短短的一年時間里把浮游植物產生的活性有機碳轉化成與南海深海中RDOC十分接近的化合物,表明其效率極高
RDOC在海洋的滯留時間在千年尺度,微生物的轉化效率卻如此之高,著實令人驚訝。
微生物雖個體極小,但種類繁多,生物量更是巨大。據估算,單海洋光合微生物每天固定產生有機質的量就可與陸地所有植物固定的有機碳量相當。
微生物碳泵的過程,包括了病毒裂解細菌細胞、原生動物捕食細菌產生有機質碎屑、細菌群落反復降解有機質、古菌等自養微生物直接合成有機質,等等。
海洋碳循環和生物儲碳機制還存在一系列復雜的物理和化學過程,與生物生態過程密不可分。若從非生物的角度看RDOC的循環,光(光降解作用)、熱(海底火山熱液)、物理吸附沉降等過程均加速了海水RDOC的循環或從水體中移除,而巨大的海洋RDOC庫不僅未見“瘦身”,原位觀測數據更是指出RDOC庫在緩慢累加。
可見,微生物碳泵是巨大海洋RDOC碳庫形成的主要機制,解開了半個世紀前美國科學家提出的RDOC碳匯成因之謎的面紗。
海洋微生物碳泵與氣候效應
已有研究表明,全球變暖將加劇海洋水體分層,不利于海水混合,將減少深海營養鹽向有光層的輸送,進而降低自養生物光合作用固碳。然而異養細菌的活動將隨溫度升高而增強,這將使得微生物碳泵相對加強。
海洋微生物不僅在現代,而且在地球環境和古氣候演化中也扮演了舉足輕重的角色。大氣氧化、雪球地球、生命大爆發和數次生物大滅絕,都與之息息相關。
與板塊構造學說并列為地球科學兩大理論的“米蘭科維奇理論”闡述地表氣候旋回的驅動機制,該理論強調地球軌道參數(偏心率、斜率和歲差)調控地表不同緯度和不同季節的太陽輻射量變化,而北半球65度夏季太陽輻射量的周期性變化控制地表氣候變化的冰期旋回。然而,偏心率對太陽輻射的貢獻理論值不足0.1%,不足偏心率在碳同位素比值地質記錄中的1%。
海洋地質學家汪品先院士在這一領域有著獨到的見解,經過多年矢志不渝的研究和思考,根據微生物碳泵理論提出了溶解有機碳假說,用于解釋海洋碳儲庫的40萬年長偏心率周期的氣候效應,并帶領團隊利用箱式模型進行了初步驗證,完善了“米蘭科維奇理論”。
海洋微生物碳泵與緩解氣候變化措施
目前,聯合國氣候變化專門委員會(IPCC)已將海洋微生物碳泵納入《海洋與冰凍圈》特別報告,不僅介紹了微生物碳泵的科學概念,并將其作為減排增匯緩解氣候變化的可能措施,為這一領域科學研究和政策制定指引了新的方向。
基于微型生物碳泵原理,針對近海富營養海區,通過降低陸地營養鹽輸入,可望實現增加近海儲碳的目的。
目前,陸地普遍存在過量施肥,導致大量營養鹽輸入海洋,形成了近海的氮、磷等富營養環境;過量的營養鹽會刺激海洋微生物降解更多的有機質,包括來自陸源有機碳在近海富營養化海洋環境中進一步被呼吸轉化為二氧化碳重新釋放到大氣中。若能夠控制陸源營養鹽的輸入,將會提高微生物碳泵的生態效率。美歐科學家在各種自然環境的統計資料以及河流實驗結果也印證了這一點。
因此,海陸統籌(圖3),合理減少農田土壤施肥,減少陸地營養鹽向海洋的排放量,將使微生物碳泵在近海更加有效地將有機碳惰性化,并隨后由海流帶入大洋進行長期儲碳。這將是一個既現實可行、又無環境風險的增匯途徑。
圖3 陸海統籌:減少陸地施肥,增加海洋碳匯應對氣候變化
【致謝】作者感謝廈門大學蔡阮鴻、張瑤、張銳,以及同濟大學汪品先、田軍、翦知湣、謝昕等的支持。
【作者簡介】焦念志,1962年12月出生,山東濰坊人, 中國科學院院士,發展中國家科學院院士,廈門大學海洋與地球學院教授,博士生導師;生物海洋學家,主要從事微型生物海洋學研究,在碳循環與海洋微型生物過程與機制方面取得了原創性系統成果;本文選自《世界科學》(2019年第10期)“大家?科技前沿”欄目,版權歸作者和出版社所有,用于學習與交流。
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