Potential response of dark carbon fixation to global warming in estuarine and coastal waters  

河口與沿海水域黑暗碳固定對全球變暖的潛在響應  

來源：Global Change Biology, Volume 29,2023, Pages 3821-3832

《全球變化生物學》第29卷，2023年，頁碼3821-3832  

 

摘要內容

 

該研究探討了全球變暖對河口及沿海水域黑暗碳固定（DCF）的影響。DCF是化能自養微生物將無機碳轉化為有機碳的關鍵過程，對全球碳循環至關重要。通過放射性碳標記法測定長江口及鄰近海域底棲水體的DCF速率，發現DCF速率呈穹頂形溫度響應模式（最適溫度Topt為21.9–32.0°C）。近岸站點（低鹽度區）Topt較高，而離岸站點（高鹽度區）Topt較低且更易受升溫抑制。基于增溫情景預測，升溫將促進冬春季DCF速率，但抑制夏秋季DCF活動；年均尺度上，升溫整體促進DCF速率（2°C升溫下年均增加8.6%，4°C升溫下增加15.8%）。宏基因組分析表明，近岸區域以卡爾文循環（CBB）為主，離岸區域則由CBB和3-羥基丙酸/4-羥基丁酸（3-HP/4-HB）循環共同主導，這解釋了DCF溫度響應的空間差異。  

 

研究目的

揭示河口與沿海水域DCF的溫度響應模式。  

 

模擬不同增溫情景下DCF能力的變化。  

 

闡明DCF響應全球變暖的微生物機制。  

 

研究思路

野外采樣與溫度梯度實驗：  

 

在長江口至鄰近海域設置鹽度梯度站點（圖1），采集底棲水體樣本。  

 

 

在5–40°C溫度梯度下（5°C間隔）培養樣品，測定DCF速率（圖3）。  

環境參數與微生物分析：  

 

 

測定溶解氧（DO，使用丹麥Unisense電極）、鹽度、營養鹽等環境參數。  

 

通過宏基因組測序分析化能自養微生物群落及碳固定途徑（圖2），結合qPCR量化功能基因（cbbL、accA等）。  

 

 

增溫情景模擬：  

 

基于SSP2-4.5（+2°C）和SSP5-8.5（+4°C）情景，預測季節性DCF變化（圖4–6）。  

 

 

 

 

機制解析：  

 

關聯微生物群落結構與溫度響應差異，驗證銨鹽添加對DCF的促進作用。  

 

測量數據及研究意義

DCF速率溫度響應曲線（圖3）：  

 

數據：不同溫度下DCF速率（0.05–0.72 μmol C L?1 day?1）及Topt（近岸站點26.8–32.0°C，離岸站點21.9–25.2°C）。  

 

意義：揭示DCF的穹頂形溫度敏感性，為預測碳匯對升溫的響應提供依據。  

微生物群落與功能基因（圖2）：  

 

數據：近岸以CBB循環為主（Gammaproteobacteria主導），離岸以CBB和3-HP/4-HB循環共存（Thaumarchaeota主導）；accA基因在離岸富集。  

 

意義：闡明空間分異的碳固定途徑是溫度響應差異的微生物機制。  

增溫情景模擬結果（圖4–6）：  

 

數據：夏秋季升溫抑制離岸DCF（最大抑制9.4%），冬春季促進近岸DCF（最大促進113.9%）；年均DCF在4°C升溫下增加15.8%。  

 

意義：量化未來氣候情景下河口碳匯變化，提示近岸碳匯增強而離岸脆弱。  

 

結論

溫度響應分異：DCF呈穹頂形溫度響應，近岸Topt（28.3°C）高于離岸（23.6°C），離岸站點更易受升溫抑制。  

 

季節與空間差異：升溫促進冬春季DCF（尤其近岸），但抑制夏秋季DCF（尤其離岸）；年均尺度上，升溫整體提升DCF能力（4°C升溫下+15.8%）。  

 

微生物驅動機制：近岸以AOB（氨氧化細菌）驅動的CBB循環為主，適應較高溫度；離岸以AOA（氨氧化古菌）主導的3-HP/4-HB循環為主，對升溫敏感。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中使用的丹麥Unisense電極（型號OX500）用于原位測定溶解氧（DO），其意義在于：  

高分辨率監測氧化還原微環境：直接獲取底棲水體DO動態，揭示化能自養菌的生存基底（如低氧區富集硫/鐵氧化菌）。  

 

支撐DCF機理解析：DO數據與氨氧化微生物（AOA/AOB）分布關聯（圖2c-vi），證實近岸低氧環境促進AOB（適應較高Topt），而離岸高氧環境富集AOA（適應較低Topt），解釋了DCF溫度響應的空間分異。  

 

技術優勢：避免采樣擾動，原位捕捉水體-沉積物界面的氧梯度，為"氧化還原條件調控微生物碳固定途徑"提供關鍵證據。