评价嗜高压细菌在南海深部碳循环中的作用

Studying the deep ocean carbon cycle (DOCC) and the role of piezophilic bacteria in DOCC has far-reaching theoretical and practical significance; this is because DOCC is a major part of the global carbon cycle and plays an important role in shaping the Earth’s climate. However, our understanding of DOCC is very limited. The South China Sea (SCS) is an excellent laboratory basin to study DOCC, and the SCS Deep provides an excellent platform for such a project. Here we propose a deep ocean carbon cycle model---PDPBC (POC-DOC-Piezophilic .Bacteria Continuum)，to illustrate the mechanism of piezophilic bacterium-modulate DOCC. We will employ metagenomics, enzymology and stable carbon isotope probing techniques to study the major components of PDPBC in the SCS: the diversity and abundance of piezophilic bacteria, the transformation of POC and release of DOC, and the degradation of DOC by piezophilic bacteria. Sediment traps will be deployed to collect particulates at different locations and depths in the SCS. Integrating laboratory and in situ cultivation experiments will allow us to decipher various ecological processes and assess the role of piezophilic bacteria in DOCC in the SCS. This is an interdisciplinary project in the forefront of deep-sea microbiology and biogeochemistry. Results from this project will provide theoretical basis and observation data for studying microorganisms and their role in global ocean carbon cycle.

深海碳循环是全球碳循环的重要组成部分，但我们目前对深海碳循环机制仍缺乏全面深入了解，对嗜高压细菌在深海碳循环中的作用更是知之更少，因此，研究深海碳循环以及嗜高压细菌在其中的作用对探究全球碳循环具有重要理论和实际意义。本申请以阐释嗜高压细菌参与的深海碳循环PDPBC碳菌链模型（POC-DOC-Piezophilic Bacteria Continuum）为目标，以鉴定参与南海深部碳循环的嗜高压细菌种类为基点，以解析PDPBC机制为主线，通过实验室理论研究、深海原位培养以及沉积物捕获器颗粒物采集和碳通量分析，使用现代分子微生物学和生物地球化学技术相结合的手段来研究嗜高压细菌对南海深部碳循环主要生态过程的调控作用，包括颗粒有机碳转换、溶解有机碳释放和降解。本申请研究所取得的成果将为今后研究深海碳循环以及南海深部大计划核心科学问题“深海碳循环以及微生物的作用”提供理论依据和实际观测资料

深海碳循环是全球碳循环的重要组成部分，但我们目前对深海碳循环其机制仍缺乏全面了解，对嗜高压微生物在其中的作用更是知之更少。本项目以建立和探究嗜高压微生物介导的深海碳循环PDPMC（POC-DOC-Piezophilic Microorganism Continuum）碳菌链模型为目标，以鉴定参与南海深部碳循环的嗜高压微生物种类为基点，以解析PDPBC机制为主线，结合现代分子微生物学、酶学和生物地球化学手段研究了南海深部碳循环的主要生态过程及嗜高压微生物在其中所起的作用。项目全面完成了原定研究目标，并取得了丰硕成果：（1）建立了嗜高压微生物调控的深海碳循环机制模型：PDPMC模型。该模型强调嗜高压微生物介导的深海碳循环过程，并强调海洋有机碳的化学和介导碳循环微生物的微生物学、生态学和酶学在海洋中随时-空的变化，为我们全面认识海洋碳循环动力学过程提供了指导性框架，有助于我们解决全球碳循环中的一些关键问题，如海洋POC和DOC间的相互转换、POC和DOC的化学结构及微生物可降解性、海洋碳储库的变化及其对微生物在海洋碳循环的控制性作用等；（2）首次获得了南海水体和沉积物中微生物胞外酶酶学资料，对南海水体和沉积物中酶类型、活性、分布和动力学特征进行了全面研究，为解析微生物介导的南海碳循环提供了新视角；（3）首次用DNA-SIP技术将功能微生物与它们介导的碳循环过程直接联系起来，确定了从浅海到深海附生菌和自由菌在POC分解和DOC降解过程中的不同机制和速率；（4）首次对南海不同深度的DOM进行了FT-ICR-MS分析，确定了南海DOM化学成分及其在不同深度的特征，同时还确定了南海不同深度DOM的14C年龄；（5）首次对南海水体不同深度的附生菌和自由菌（包括细菌和古菌）成分、群落结构和多样性进行了分析和鉴定；（6）以上述南海研究所取得的成果为基础，把对海洋碳循环的研究延伸到了深渊海沟，对现今深渊微生物学和生物地球化学研究进行了总结，提出了该领域今后的研究方向，同时全面补充、完善了PDPMC碳循环模型，为今后深入研究海洋碳循环打了了坚实基础。