深海竟然以意想不到的方式“锁住”碳

桑托罗表示：“我们一直努力弄清海洋中碳的固定量，如今数据终于合理了，这非常好。”该项目部分由美国国家科学基金会资助。

海洋作为行星碳汇
谁在进行碳固定呢？海洋是地球最大的碳汇，大约能吸收人类三分之一的二氧化碳排放，有助于控制全球气温。由于我们高度依赖这种自然缓冲能力，科学家们急于厘清控制碳进入海洋、在海洋中移动及储存的复杂过程。

桑托罗说：“我们想知道碳如何在深海中移动，因为要让海洋对气候产生影响，碳必须从大气到达深海。”

大部分无机碳固定由微生物完成。在海洋表层，浮游植物是单细胞光合生物，会吸收无机二氧化碳（包括溶解的二氧化碳气体）。作为自养生物，它们像陆地植物一样，利用二氧化碳和水制造自身所需的食物（糖类）并释放氧气。

关于深海微生物的旧有假设
科学家们普遍认为，大部分溶解无机碳（DIC）固定发生在有阳光的表层，这得益于光合浮游植物；但在更深、更黑暗的海洋区域，也存在一定量的非光合DIC固定。在这些无光水域，人们曾认为该过程主要由自养古菌主导，它们通过氧化氨（一种含氮化合物）获取能量，而非利用阳光。

然而，当研究人员通过采集水柱样本检查这些固碳微生物的氮基能量预算时，很快意识到数据并不合理。

桑托罗解释道：“人们出海测量碳固定量时得到的数据，与已知的微生物能量来源之间存在差异。我们基本上无法让固碳生物的能量预算合理起来。”她指出，微生物固定碳需要能量，但深海中似乎没有足够的氮源能量来支持整个水柱中报告的高碳固定率。

长达十年的碳循环之谜
这种不匹配现象吸引了桑托罗和该论文第一作者芭芭拉·拜耳近十年的关注，她们一直试图填补我们对海洋碳循环理解的关键空白。早期研究曾假设，固碳古菌可能比科学家认为的效率高得多，固定相同量的碳需要更少的氮，但她们的研究表明这种解释并不成立。

在这项新研究中，研究人员转变了关注点，提出了一个不同的问题：这些氨氧化菌对黑暗海洋中整体溶解无机碳固定的实际贡献有多大？为回答这个问题，拜耳设计了一项针对性实验。

桑托罗解释：“她想出了一种在深海中特异性抑制氨氧化菌活性的方法。”研究团队用一种特殊化学物质（苯乙炔）限制这些氧化菌的活性，预计碳固定量会大幅下降。经证实，这种抑制剂对其他群落过程没有其他可测量的影响。

结果表明，尽管抑制了这些氨氧化菌（主要是在黑暗海洋中大量存在的古菌），研究区域的碳固定率并未如预期那样大幅下降。

深海碳固定的新“嫌疑人”
如果氨氧化古菌并不像曾经认为的那样对碳固定贡献那么大，那么其他微生物一定在发挥作用。可能的贡献者群体现在包括周围群落中的其他类型微生物，尤其是细菌和一些古菌。

桑托罗说：“我们认为这意味着异养生物——以分解中的微生物和其他海洋生物的有机碳为食的微生物——除了通常消耗的有机碳外，还吸收了大量无机碳，也就是说它们也负责固定部分二氧化碳。”

“这真的很有趣，因为尽管我们知道这在理论上是可能的，但我们确实没有关于深海中异养生物与自养生物固定碳比例的定量数据，而现在我们有了。”

重新思考深海食物网
新发现不仅阐明了深海中谁在进行碳固定，还为深海食物网的结构和维持方式提供了新见解。

桑托罗说：“深海食物网的基本运作方式有很多我们不了解的方面，我认为这项研究就是在弄清楚深海食物网最基础的部分是如何运作的。”

深海的更多谜团
桑托罗和她的合作者在这一领域的进一步工作将深入研究海洋碳固定的更精细方面，例如氮循环和碳循环如何与海洋中其他元素循环（包括铁和铜）相互作用。

她指出：“我们试图弄清楚的另一件事是，一旦这些生物将碳固定到细胞中，它如何被食物网的其他部分利用？它们可能会从细胞中泄漏出什么样的有机化合物，从而为食物网的其他部分提供养分？”

该论文的研究人员还包括加州大学圣巴巴拉分校的尼古拉·L·保罗、贾斯汀·B·阿尔伯斯和克雷格·A·卡尔森；维也纳大学的卡特琳娜·基辛格和迈克尔·瓦格纳，以及伍兹霍尔海洋研究所的马克·A·斋藤。