海洋沉积物有机质降解新发现，动力学的新见解

深海中的许多过程尚未得到充分理解，尤其是微生物群落的作用往往是一个很大的未知数。例如，这包括从水面沉入海底的有机物质如何代谢——这是更好地理解全球碳循环的重要组成部分。有机物质在海底沉积物的长期沉积是全球碳循环的关键过程。从化学角度来看，沉积物更类似于海洋藻类还是分解藻类生物质的微生物，这个问题在很大程度上尚未解决。

为了进行这项研究，研究小组喂食了标有13 C 碳的有机材料（藻类脂质混合物或粗蛋白），并在实验室中观察了 400 天。研究团队发现，通过添加脂质和蛋白质可以刺激微生物群落，不仅可以分解更容易消化的新鲜生物质，还可以分解更多难以分解的旧有机碳。

这一新发现具有重要意义，因为新鲜有机物的输入因人为的、气候引起的环境变化而增加，例如海洋中低氧区扩大、海冰融化或冰川消融。

“我们的研究首次将不稳定有机物的降解与微生物的生长联系起来，并对其最终埋藏在海洋沉积物中的有机物成分产生了影响。我们惊讶地发现，新鲜有机物的加入对旧的、本应是难降解的有机物的降解产生了不成比例的巨大而持久的影响，”这项研究的合著者、MARUM 教授、乌得勒支大学 (荷兰) 的杰克·米德尔堡 (Jack Middelburg) 教授说。该研究为有机物沉积事件与有机碳的长期保存之间的联系提供了重要见解，从而将接收器、反应器和记录器等研究单元连接起来。

简而言之，研究者们发现，海洋生物的生长繁殖和一种被称为“启动效应”的生物化学过程，会显著改变海底沉积物中有机物的种类和含量。这对于我们理解海洋碳循环和气候变化有着重要的意义。

参考文献：Qing-Zeng Zhu, Xiuran Yin, Heidi Taubner, Jenny Wendt, Michael W. Friedrich, Marcus Elvert, Kai-Uwe Hinrichs, Jack J. Middelburg. Secondary production and priming reshape the organic matter composition in marine sediments. Science Advances, 2024; 10 (20) DOI: 10.1126/sciadv.adm8096

一、什么是“启动效应”？它对海洋碳循环有什么影响？

“启动效应” (priming effect) 在生态学中指的是一种现象：当一种有机物质被微生物分解时，会释放出一些中间产物，这些中间产物可以加速其他有机物质的分解。就好比在篝火中加入一些易燃物，可以更快地让整个篝火燃烧起来。

在海洋沉积物中，启动效应主要发生在微生物分解有机质的过程中。当一种有机质被细菌分解时，会产生一些小分子有机酸、酶和其他生物活性物质，这些物质可以改变周围环境的化学性质，从而促进其他类型有机质的分解。

启动效应对海洋碳循环有什么影响？海洋碳循环是一个非常复杂的系统，启动效应在这个系统中扮演着重要的角色。启动效应可以加速海洋沉积物中有机质的分解速度，从而将更多的有机碳转化为二氧化碳释放到大气中。另一方面，启动效应也可能导致部分有机碳被更稳定地埋藏在沉积物中。这是因为，启动效应产生的中间产物可以促进有机质形成更复杂的分子结构，从而提高有机质的稳定性，减少其被微生物分解的可能性。不同的有机质分解方式会滋养不同的微生物群落。启动效应可以通过改变有机质的分解途径，从而影响海洋沉积物中微生物群落的组成和功能。有机质分解过程中除了产生二氧化碳，还会产生甲烷等其他温室气体。启动效应可以通过改变有机质分解的速率和途径，影响温室气体的排放量。

总的来说，启动效应对海洋碳循环的影响是双重的。一方面，它可以加速有机碳的矿化，增加大气中的二氧化碳浓度，从而加剧全球气候变暖。另一方面，它也可能促进有机碳的埋藏，从而减缓气候变化。

值得注意的是，启动效应的影响受到多种因素的共同作用，包括沉积物的类型、有机质的组成、温度、氧气含量等。因此，深入研究启动效应，对于我们理解海洋碳循环过程，预测未来气候变化趋势具有重要意义。

二、海底沉积物中的有机质有什么作用？

海底沉积物是地球上最大的有机碳库之一。通过将大气中的二氧化碳固定下来，并将其以有机碳的形式埋藏在海底，海洋沉积物在调节全球气候方面发挥着至关重要的作用。海底沉积物中有机质的分解速率会直接影响大气中的二氧化碳浓度。如果分解速率加快，更多的二氧化碳就会释放到大气中，加剧温室效应。

海底沉积物中的有机质是许多海洋生物，尤其是底栖生物的食物来源。这些生物通过摄食沉积物中的有机质，将其转化为自身组织，并将其能量传递给食物链更高层的生物。海底沉积物中丰富多样的有机质为各种微生物、底栖动物提供了栖息地和食物来源，从而维持了海洋生态系统的多样性。

海底沉积物中有机质的分解过程会释放出大量的营养盐，如氮、磷等。这些营养盐可以被海水中的浮游植物吸收利用，从而促进初级生产力的发展。有机质的分解会引起一系列的地球化学反应，导致元素在海洋环境中的迁移转化，从而影响海洋化学组成。

通过分析海底沉积物中有机质的组成和同位素特征，科学家可以重建过去的气候变化历史，了解地球气候系统的演化规律。海底沉积物可以记录海洋环境中的污染物，如重金属、有机污染物等，为环境监测和污染治理提供重要信息。

总的来说，海底沉积物中的有机质是连接海洋、大气和生物圈的重要纽带，对全球气候变化、海洋生态系统健康以及地球化学循环都具有深远的影响。

三、这项研究的意义

Qing-Zeng Zhu等人的这项研究 对于理解海洋生态系统和全球碳循环具有深远的意义。它揭示了海洋生物的生长繁殖和启动效应对海底沉积物中有机质组成的重要影响，填补了我们对海洋碳循环过程的认识空白。

这项研究揭示了有机质在海底沉积物中的动态变化过程，包括输入、转化和输出。深入阐明了启动效应在调节有机质分解速率和碳埋藏方面的作用。强调了微生物在有机质转化过程中的关键作用。研究结果有助于评估海洋沉积物作为碳汇的潜力，为缓解气候变化提供科学依据。揭示了海洋生物活动与气候变化之间的复杂反馈机制。该研究为评估海洋生态系统的健康状况和功能提供新的指标，可以为制定更有效的海洋保护和管理策略提供科学依据。

总之，这项研究为海洋科学研究开辟了新的方向，也为我们更好地理解和保护海洋生态系统提供了重要的科学基础。

四、思考

启动效应过程中，微生物产生的哪些特定酶或代谢产物起到了关键作用？这些物质如何影响有机质的结构和稳定性？温度、盐度、氧含量等环境因子如何影响启动效应的强度和持续时间？不同海洋环境下的启动效应是否存在差异？哪些类型的微生物群落更容易引发启动效应？微生物种间相互作用在启动效应中扮演什么角色？

有机质组成变化如何影响底栖生物的食物选择和生长？对海洋食物网结构产生怎样的影响？有机质组成变化是否会改变海底生物多样性？特定物种对有机质组成变化的响应机制是什么？有机质组成变化对生态系统功能（如物质循环、能量流动）产生哪些影响？

气候变暖如何影响启动效应的强度和频率？这对海洋碳循环和气候反馈产生怎样的影响？海洋酸化如何改变有机质的组成和可利用性？这对启动效应产生怎样的影响？海洋热浪、赤潮等极端事件如何影响启动效应，进而影响生态系统功能？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

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