浮游生物如何为深海微生物输送食物？
深海中储存着大量的溶解有机碳，由于深海的环境条件，这些碳很难被微生物分解和利用，难以被分解，储存几千年甚至更久。然而，通过放射性碳分析表明，深海中可能存在一些较年轻的溶解有机碳组分，这些碳是近期产生的，可能被微生物快速利用。
海洋微小颗粒物沉降过程
按照直观的理解，颗粒物的大小决定了它们的沉降速度，越大的颗粒物沉降得越快。那么海洋颗粒物的形态如何影响沉降速度呢？
2024年的一项研究通过在安哥拉盆地部署了一台配备光学和成像传感器的BGC-Argo浮标，记录了六次连续的叶绿素a和颗粒物积累事件，根据形状，将这些颗粒物分为四种形态类别：片状、团块状、线状和球状。
研究发现，团块状和球状颗粒物的沉降速度显著高于片状和线状颗粒物。在1.02-1.29毫米的颗粒物大小范围内，球状颗粒物的沉降速度为46±24 m/d，而片状颗粒物的沉降速度仅为16.29±4 m/d。
且球状颗粒物的衰减最弱，而片状和线状颗粒物的衰减最强。在1.02-1.29毫米的颗粒物大小范围内，球状颗粒物的衰减指数为0.5±0.07，而片状颗粒物的衰减指数为1.59±0.02。
虽然颗粒物大小仍然是影响沉降速度的重要因素，但形态对沉降速度的影响更为显著。即使两个颗粒物的大小相同，一个球状颗粒物可能会比一个片状颗粒物沉降得更快，携带更多的碳到深海。
浮游动物粪便、海洋雪和浮游植物残骸深海沉积
通过回顾了自2001年以来发表的相关研究，探讨了浮游动物粪便、海洋雪和浮游植物残骸的形成、下沉和分解过程。
研究发现，浮游动物粪便在有机碳下沉通量中的比例变化很大，通常在1%到40%之间，具体取决于浮游动物的种类和表层的食物网结构。浮游动物粪便下沉速度跟粪便的密度和大小有关，粪便中的矿物质可以增加其密度，加快下沉速度。
从粪便大小看，磷虾粪便的下沉速度可达304米/天，而樽海鞘的粪便速度可达900米/天。从粪便密度看，硅藻粪便的下沉速度可达322米/天，而非硅藻粪便的速度仅为35米/天。
海洋雪主要由浮游植物残骸、粪便颗粒和其他有机颗粒物组成，其分布广泛，密度可达每升数百个颗粒。海洋雪的下沉速度通常在10-150米/天之间，具体取决于颗粒的大小和密度。
浮游植物残骸的下沉则通常以脉冲形式发生，尤其是在春季或夏季的浮游植物水华之后。例如，在北太平洋的一个研究站点，夏季的有机碳输出量是冬季的三倍。
溶解有机碳如何传递到深海
2025年3月16日，厦门大学海洋与地球科学学院, 海洋环境科学国家重点实验室引导的一项研究，通过分析不同深度水样中的溶解有机碳、高分子量溶解有机碳和氨基酸的放射性碳含量，确定海洋溶解有机碳年龄和周转时间。
通过放射性碳分析，科学家们发现，深海中的某些有机物质，尤其是高分子的蛋白质类物质氨基酸，年龄相对较年轻。在2500米的深海，氨基酸的放射性碳年龄约为1170年，这比深海中的大多数有机物质要年轻得多。这意味着，这些物质可能是近期通过某种机制输送到深海的。
那么，这些年轻的有机物质是如何进入深海的呢？研究发现，这种溶解有机碳的供应从表层到中层逐渐减少，但在深层显著增加，这种非线性趋势表明，中层的浮游生物可能是深海有机物质的重要来源。
研究团队进一步研究了不同深度处溶解有机物的微生物利用百分比，研究发现，深海中的微生物能够快速利用这些浮游生物输送的有机物质。在2500米的深海，微生物对高分子量氨基酸的利用率达到了13%，比400m中层海洋的利用率8%要高得多，而表层利用率更高达到了24%。
这种非线性关系表明海中的有机物质并非完全依赖于表层海洋的缓慢沉降，中层浮游生物通过垂直迁移和粪便颗粒的快速沉降，将表层有机物质快速输送到深海，为深海微生物提供了重要的碳源。
图：不同组分溶解有机质的∆14C值和14C年龄随深度的变化情况
2016 年 5 月，在 BATS的上层水域（2 米）、中层水域（400 米）和深海水域（2500 米）采集了散装 DOC、HMW DOC（>2.5 kDa）和 HMW 氨基酸。由于样品量要求较大（1000 至 4000 升），因此从每个深度采集一个样品，用于分析散装和化合物类14 C 含量。误差线表示传播的总分析误差。
溶解有机碳尺寸影响深海微生物降解
深海有机物尺寸重要吗？西班牙维戈高等科学研究委员会-海事研究所等研究团队发表在《Nature》上的研究探讨了这一问题。
研究团队提出了一个叫做“大小-活性连续体”（SRC）的理论，认为分子量较大的溶解有机碳比分子量较小的溶解有机碳更容易被微生物降解。为了验证这个理论，研究团队在地中海进行了实地研究。
他们沿着地中海的深层水流，从东部的黎凡特海到直布罗陀海峡，采集了不同地点的水样，并将溶解有机碳分为高分子量（aHMW）和低分子量（aLMW）两部分。结果发现，随着水流的西移，高分子量溶解有机碳的比例从68-76%下降到了40-55%，同时，氧气的消耗量也在增加，意味着高分子量溶解有机碳在微生物降解过程中被消耗掉了，支持了SRC理论。
这项研究首次在实地验证了大分子量的溶解有机碳更容易被微生物降解。
溶解有机物成分和温度决定深海有机碳的利用
一项即将发表的研究，目前只看到有摘要，提出了溶解有机物成分和温度决定深海有机碳的利用，就是参考文献中的第二个，目前还没有发布。先看看摘要中的主要内容。
研究团队通过长期的实验，观察了深海微生物在接触到来自海面和深海的两种不同类型的溶解有机碳时的反应。实验结果显示，当深海微生物接触到溶解有机碳时，它们的活性会增加，在接触到深海溶解有机碳时，微生物的生物量产量更高。在模拟全球变暖更高的温度下，这种效果更为显著，微生物的活性增加了四倍，并且实验结束时，水中的有机碳含量有所下降。
深海微生物能够分解和利用溶解有机碳中的特定成分，如糖类、氨基酸等。虽然深海溶解有机碳通常被认为是难以分解的，但在适当条件下，深海微生物仍然能够代谢这些物质。
总的来说，这项研究表明，全球变暖可能会导致深海区域温度升高，从而增强深海微生物对溶解有机碳的利用能力。这可能会对海洋的生物地球化学循环产生影响，带来一系列我们目前还不太了解的生态反馈。
❓思考题：深海微生物的有机物质可能是通过下列哪种方式送到深海的呢？
A.通过海底火山喷发
B.通过浮游生物的垂直迁移和粪便颗粒
C.通过鲸鱼的排泄物
D.通过海底热液喷口
正确答案：（点击查看）
B.
解析： 研究发现，浮游生物在表层海洋摄食有机物质后，通过垂直迁移将有机物带到深海，并通过排泄粪便颗粒的方式将有机物质快速输送到深海，为深海微生物提供食物。其他选项虽然也是深海中的碳循环机制，但在这项研究中并未提及。
参考文献：
Yuan Shen , Ronald Benner , Taylor A. B. Broek ， Brett D. Walker, and Matthew D. McCarthy，Special delivery of proteinaceous matter to deep-sea microbes. Science Advances ，19 Mar 2025 Vol 11, Issue 12，DOI: 10.1126/sciadv.adr0736
Benjamin Pontiller1, Kevin W. Becker1, Mara Rosmann1,2, Antoine Barbot1, Chie Amano3, Gerhard J. Herndl3, and Anja Engel，Dissolved organic matter composition and temperature determine organic carbon utilization in the deep ocean. doi.org/10.5194/egusphere-egu25-13342