南海暗光层颗粒有机物附着微生物的组成和潜在生态功能研究

Transport of particulate organic carbon (POC) from the surface to the deep ocean is an important mechanism of carbon sequestration that could lower the concentration of atmospheric CO2. The vertical POC flux attenuates rapidly with depth in the ocean’s mesopelagic or “twilight” zone (depths immediately below the euphotic zone down to about 1,000m), where microbes and zooplankton solubilize and consume sinking particulate organic matter (POM) to support their metabolic demands. However, little is known about the microbes that are involved in these complex degradation processes, which determines the proportion of POC flux from the euphotic zone to the deep ocean, i.e., the efficiency of biological pump. We plan to conduct a metagenomic and metatranscriptomic study on the microbial communities associated in particles in the deep basin of the South China Sea to elucidate their composition and metabolism in the particle degradation processes in the twilight zone. Organic particles of three different sizes will be collected from the euphotic zone (50m) and the upper boundary (150m) and lower boundary (800m) of the twilight zone in both summer and winter. Chemical properties of the particles will be characterized and the community composition and metabolic functions of microbes that are related to POM remineralization will be revealed from bioinformatics analysis of the metagenomic and metatranscriptomic data. Information generated from this project will help to evaluate the microbial roles in controlling the dynamics of export flux of POC in the twilight zone in the South China Sea.

颗粒有机碳(POC)从表面到深海的输运是碳汇的重要机制，它可以降低大气中CO2的浓度。 POC垂直输出通量随深度在海洋中层或“暗光层”迅速衰减，其中微生物和浮游动物降解和消费下沉的POC来支持他们的代谢需求。海洋暗光层发生的颗粒有机物(POM)的分解、聚合、矿化等过程，决定着真光层中的颗粒有机物向深海中的沉降和海洋生物泵的效率。但目前相关研究还集中在颗粒有机物本身的动力学变化，而缺乏参与这些过程的微生物的群落结构和代谢功能信息。本项目计划从我国南海深海盆区入手，针对夏季和冬季在真光层(50m)，暗光层的上层(150m)和下层(800m)处所采集到的不同粒径的颗粒有机物，分析其在沉降过程中的组分变化，并利用宏基因组和宏转录组研究其附着微生物群落的结构组成和参与碳、氮等循环的主要代谢途径，探讨微生物在暗光层不同粒径颗粒有机物的动态变化中的潜在功能和对调控南海暗光层有机碳通量的贡献。

暗光层是颗粒有机碳从真光层到达海底的必经通道，其中微生物的代谢活动显著影响着生物碳泵的效率和深海碳埋藏。但目前对于暗光层中微生物驱动颗粒物迁移转化的生态功能及其群落演替过程还知之甚少。该项目针对南海寡营养水体及典型化能生境（南海冷泉区以及西南印度洋热液区）暗光层中不同粒级有机颗粒物附着微生物的群落组成和生态代谢功能进行了组学研究，发现寡营养水体较化能生境中的生物多样性低，且群落组成有显著差异，主要受温度调控。代谢功能方面具有明显的空间异质性：不同生境中，热液区暗光层的固碳作用和硫循环代谢基因丰度最低，寡营养南海水体中的蛋白质代谢、D-半乳糖醛酸酯代谢、固氮作用和反硝化等相关基因丰度明显较高，冷泉区则甲烷代谢基因丰度最高；垂直水层上，深水层中固碳和碳降解的相关基因丰度明显较高；粒级水平上，小粒级有机物中涉及碳循环、硝化作用和硫酸盐氧化还原作用的基因丰度较高，而固氮的关键基因丰度则在大粒级中较高。进一步通过基因组分箱技术发现，Bacteroidota基因组参与了暗光层丰富有机质的降解过程，并可能通过硫酸盐还原和硝酸盐还原彻底氧化分解。此外生态板模拟培养也证实了暗光层微生物类群可以利用各类主要有机碳源。以上结果阐明了不同海域暗光层中颗粒附着微生物的群落组成和代谢功能差异及主要生态因子，解析了关键类群及其元素循环代谢途径，有助于理解微生物在暗光层有机物迁移转化中的作用，从生物学角度对暗光层颗粒有机物的动态变化提供解释。