南海化能自养微生物固碳过程和机理研究

The photosynthetic production in the euphotic zone of most areas of the South China Sea (SCS) is quite low, thus little organic matter is transported to the deep ocean and sediments, which put a great limit on the efficiency of carbon sequestration by the biological pump. However, the SCS is the deepest and largest marginal sea of China, and it is also the largest marginal sea of the western Pacific Ocean. Its huge water body and sediments demonstrate its great potential for CO2 absorption and carbon storage. Besides phytoplanktons and cyanobacteria that can fix carbon by autotrophic photosynthesis in the ocean, there are many chemoautotrophic bacteria and archaea that can carry out autotrophic carbon fixation. The diverse marine environments of the SCS may foster diverse chemoautotrophically carbon-fixing microorganisms with diverse energy metabolic pathways, which may be an important supplement to the euphotic zone photosynthetic carbon fixation and thus contribute to the carbon cycling, carbon fixation and carbon storage in the oligotrophic SCS. In this proposed NSFC project, we are going to investigate mainly the community structure, diversity, abundance, carbon fixing rate, spatial distribution and controlling environmental factors of the chemoautotrophic microbial assemblages and their key functional groups that may be important in the SCS carbon cycling, in order to illustrate the ecological functions, biogeochemical processes and potential contributions to carbon fixation and carbon sequestration by the SCS chemoautotrophic microorganisms.

南海的大部分水域真光层光合作用生产力较低，由水体向海洋深部和沉积物输送的有机碳较少，限制了海洋生物泵的储碳作用。但是，南海是我国最深最大边缘海，也是西太平洋最大边缘海，其庞大的水体和沉积物使其具有巨大CO2吸收和储碳潜力。海洋中除了浮游植物和光合细菌等可以进行自养固碳外，还有很多类群的化能自养细菌和古菌可以自养固碳。丰富多样的南海海洋环境可能蕴育了种类多样、能量代谢各异的海洋化能自养固碳微生物，其在南海这样一个寡营养盐环境可能是真光层光合作用固碳的重要补充，对南海碳循环和固碳、储碳具有重要作用。该基金申请项目将重点研究对南海碳循环具有重要影响的化能自养微生物及其关键类群的群落结构、多样性、丰度、固碳速率、空间分布及环境控制因子，系统阐释南海化能自养微生物的生态功能、生物地球化学过程及对南海固碳和储碳的贡献。

南海大部分水域光合作用生产力较低，但南海庞大水体和沉积物可能蕴育了种类多样、能量代谢各异的化能自养微生物，其固碳作用可能是光合固碳的重要补充。该项目重点研究了对南海碳循环具有潜在重要影响的化能自养微生物及其关键类群的群落结构、多样性、丰度、固碳速率、空间分布及环境控制因子，并对南海化能自养微生物的生态功能、生物地球化学过程及固碳和储碳贡献进行了解析。..我们对南海（及西太平洋其它边缘海）水体（及沉积物）样品进行了关键微生物功能群（如AOB、SOB、FeOB、氢氧化细菌、AOA、NOB、Anammox、ANME、SRB、硝酸盐同化细菌、固氮细菌和古菌等）cbbM、cbbL、accA、ureC、aclA、nxrB、hzo、mcrA、dsrAB、nasA、nifH等基因及细菌和古菌16S rRNA基因的MiSeq高通量测序或克隆测序，对南海水体cbbM、cbbL、accA、aclA、nxrB基因转录子序列进行了测序，对部分基因（和cDNA）丰度进行了qPCR定量测定，并对南海和渤海沉积环境尿素水解酶活性进行了测定；我们还分离、鉴定并基因组测序了海洋AOB一新种。这些数据和结果，增进了我们对南海化能自养微生物多样性、群落结构、空间分布及环境控制因子的认识。我们发现，AOA和NOB很可能是南海有氧水体主要氮代谢类群，并贡献于化能自养固碳作用。而南海沉积环境，SOB和Anammox细菌可能是主要化能自养类群。颗粒物附着微生物是南海深层水体群落代谢活动（黑暗固碳、有机物异养同化、呼吸作用）的主要贡献者，并且随水深增加，附着微生物群落与自由生活微生物群落的组成差异越发显著。我们还初步发现pH是影响南海水体AOA总群落及活性群落种类组成和空间分布的一个显著环境因子，说明海洋酸化有可能会改变水体AOA群落结构及空间分布。我们还发表了多篇综述论文，探讨了海洋微生物关键功能群对全球变暖、海洋酸化、海水缺氧、海洋人为富营养化和海洋污染等的响应和反馈。..我们已发表和参与发表SCI论文11篇，2016年发表在顶级期刊Microbiol Mol Biol Rev上的论文，已被SCI收录论文引用60余次，是ESI全球高被引论文，其成果入选“2016年度中国海洋与湖沼十大科技进展”。我们还组织了Front Microbiol的一个论文专辑，并获得2019年国际硝化微生物大会（ICoN6）主办权。