北太平洋副热带环流表层水细菌生产与呼吸的解耦：海洋生态系统碳循环的新洞察

《Marine Life Science & Technology》：Decoupling of bacterial production and respiration in the surface water of the North Pacific Subtropical Gyre

为探究异养细菌生产（BP）和呼吸（BR）过程解耦的潜在机制，厦门大学研究人员对北太平洋副热带环流（NPSG）进行研究。结果发现，NPSG 表层水细菌丰度（BA）和 BP 有显著季节性变化，BR 无明显季节差异，且 BA、BP 与 BR 解耦。该研究对理解海洋碳循环意义重大。

　　在广袤的海洋中，细菌如同一个个 “隐形的小精灵”，在海洋生态系统的碳循环中扮演着至关重要的角色。异养细菌的生产（BP）和呼吸（BR）是碳循环的两个重要环节，它们对全球生物地球化学循环有着深远影响。传统观点认为，在广阔的海洋系统里，细菌生产、呼吸和丰度（BA）在时空尺度上会呈现出一致的变化规律。然而，近年来的研究却发现，BA 和 BR 之间似乎存在着解耦现象，即它们的变化并不一致。而且，细菌群落结构的改变以及群落内部成员之间的相互作用是如何影响这两个过程的，至今仍不清楚。这种不确定性给我们理解海洋生态系统的碳循环和能量流动带来了巨大挑战。

为了揭开这些谜团，厦门大学的研究人员开展了一项深入的研究。研究人员分别在 2020 - 2021 年的夏季和冬季，对北太平洋副热带环流（NPSG）这一典型的寡营养区域进行了两次科学考察。该研究成果发表在《Marine Life Science 》上。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，通过采集海水样本，利用特定的采样设备和分析仪器，测定海水的温度、盐度、叶绿素 a（Chl a）浓度等环境参数；其次，采用了如 SYBR Green 染色结合流式细胞仪测定细菌丰度，运用改良的 3H - 亮氨酸掺入法测定细菌生产，基于体外 INT 还原率估算细菌呼吸；最后，提取细菌 DNA，对 16S rRNA V3 和 V4 片段进行 PCR 扩增及测序分析细菌群落结构，并利用相关软件构建共现网络。

研究结果如下：

• 环境特征：夏季海表平均温度为 29.8 ± 0.6 °C，冬季为 26.9 ± 1.4 °C，夏季显著高于冬季；夏季表层水平均盐度为 34.7 ± 0.4，冬季为 34.8 ± 0.5，二者无明显差异；夏季 Chl a 平均浓度为 0.05 ± 0.02 μg L?1，冬季为 0.10 ± 0.04 μg L?1，冬季显著高于夏季，且该区域营养盐浓度普遍较低，仅 PO?3?有显著季节变化。
• 细菌代谢活动：BA 和 BP 均呈现显著的季节性波动，冬季明显高于夏季；而 BR 在夏季和冬季无显著差异，表明 BR 与 BA、BP 发生了解耦。
• 细菌群落组成和多样性：两个季节的细菌群落组成存在明显差异。夏季优势菌群为 α - 变形菌纲（Alphaproteobacteria）、蓝细菌（Cyanobacteria）和 γ - 变形菌纲（Gammaproteobacteria）；冬季 α - 变形菌纲比例下降，蓝细菌比例上升，γ - 变形菌纲变化不明显。同时，冬季细菌群落的 α - 多样性指数（Richness 和 Shannon 指数）和 β - 多样性均显著高于夏季。
• 细菌共现网络：构建的两个季节的共现网络显示，夏季网络的共享边数、模块性和平均路径长度更高；冬季网络的度中心性和平均聚类系数更高，说明冬季细菌群落网络结构更复杂，群落间相互作用更强。
• 细菌呼吸与细菌群落结构的关系：主成分分析（PCA）表明，夏季和冬季 BR 与细菌群落结构的多个特征相关。夏季，BR 与模块 3 的相对丰度呈负相关；冬季，BR 与模块 1 的相对丰度呈正相关。

研究结论和讨论部分指出，冬季 Chl a 浓度升高与 BA 增加密切相关，是 BA 升高的主要驱动因素，而 BP 的增加则源于 BA 的升高和 Chl a 的变化。BA 和 BP 与 BR 的解耦，以及不同季节细菌群落结构与 BR 的不同相关性，表明特定的细菌类群（可能是呼吸速率高但相对丰度低的类群）对 BR 的影响更大，这挑战了高丰度类群代谢活性最高的传统观念。同时，不同细菌类群之间的相互作用也会影响细菌群落呼吸的总体强度。

这项研究加深了我们对西北太平洋寡营养区域表层细菌代谢季节性变化的理解，为进一步探究 BP 和 BR 之间的解耦机制提供了重要依据，有助于我们更深入地认识海洋微生物生态系统的复杂动态，对揭示海洋生态系统的碳循环和能量流动规律具有重要意义。