文章简介：
在全球气候变化的背景下，科学家们正在寻找缓解气候变化影响的新途径。海洋负排放国际大科学计划（Global-Ocean Negative Carbon Emissions, Global-ONCE）首席科学家焦念志院士领衔在《自然-微生物学评论》（Nature Reviews Microbiology, 影响因子 88.10）发表综述“The microbial carbon pump and climate change”从地球系统的视角全面剖析了以微生物碳泵（MCP）为核心的碳循环过程在气候变化中的作用。
本文综述了近年来MCP研究的最新进展：详尽讨论了惰性溶解有机碳（RDOC）的空间分布特征、分子构成的精细划分，以及RDOC复杂性与微生物多样性之间的深层联系。文章通过探索MCP在时间和空间尺度上调控碳循环的作用，以及其对气候变化反应的机制，揭示了当前研究中存在的关键知识空白，为未来的研究方向指明了路径。文章强调了生物碳泵-碳酸盐泵-微型生物碳泵-溶解度泵（BCMS: BCP-CCP-MCP-SCP）之间的相互作用，对于更好地理解海洋中颗粒有机碳、颗粒无机碳和RDOC形式的碳封存的控制机制（图1），提供了新的视角。作为海洋负排放的核心理论框架，不仅为科学界提供了新的角度，也为全球碳中和目标贡献了创新研究途径。
图1. 海洋碳循环及其主要过程和机制
正文介绍：
本文首先回顾了自MCP理论提出以来近十年的相关研究进展。众多研究已经证实，了难降解有机碳（RDOC）的形成是通过微生物转化可溶解有机碳（DOC）实现的，涉及了包括异养、自养微生物活动和病毒作用在内的多种微生物过程。这些研究进一步明确了RDOC主要由本质上难以降解的RDOCt组成。随着分析技术的进步，研究揭示了类腐殖质物质的荧光溶解有机物（FDOMH）与富含羧基的脂环分子（CRAM）参与着部分RDOC的组成，对RDOC分子组成的更详细解析仍然是当前研究的重点。因此，深入探索RDOC的分子机制不仅为揭示MCP的内在动力学提供了关键视角，也对理解全球碳循环过程及其对气候变化的影响具有重要科学意义。
MCP生成RDOC的过程涉及一系列连续的微生物作用，这一过程的关键环节包括酶促氧化和水解作用，反映了微生物在DOM转化过程中的多样性和复杂性。借助现代分析工具和组学技术的应用，揭示了微生物与DOM分子之间复杂的网络关系，展现了微生物群落与DOM化合物之间的复杂互动及其随时间和空间的动态变化（图2）。
图2. 微生物-溶解有机碳复杂网络
进一步阐明了温度、光照、营养盐和溶解氧等环境因子对海洋微生物活性及RDOC分布的决定性影响（图3）。特别是在沿海水域，由于富营养化加速了陆源RDOC的再矿化，突显出这些区域作为大气CO2源的状态。此外，DOM受微生物的转化随着环境梯度（如氧气、温度和营养物质）的变化而改变，同时，揭示了化能自养过程对深海RDOC的积累与去除受到动态调控。这些发现为理解海洋碳循环和制定海洋碳中和策略提供了坚实理论基础。
图3. 不断变化的环境中的MCP
本文随后深入展开对MCP在地质历史上对碳循环和气候调控复杂作用的探讨。揭示了MCP在间冰期与冰消期如何起到缓解气候变化的机制（图4）。与此同时，文章将MCP的作用与米兰科维奇理论相联系，探讨了地球轨道参数微小变化如何通过调节海洋碳循环，从而影响长期气候变化。而结合先进机器学习和神经网络模型的运用，开辟了研究RDOC和海洋DOC库动态的新路径，提供了一种全新的视角来理解地球化学系统中有机物的行为模式。
图4. MCP驱动的RDOC池是气候变化的双向调节器
进一步，本文探讨了海洋中三个关键碳泵系统MCP、BSP、CCP及其在海洋碳循环中的独特作用和相互作用（图5）。梳理了BCP作为“单向泵”，而CCP作为“反泵”的特点，而MCP作为“双向泵”展现了其多元性，并且通过各种途径能参与到其他碳循环过程中。进一步提出了BCMS方案，以构建生物碳泵-碳酸盐泵-微型生物碳泵-溶解度泵的整合策略，旨在通过协同这些不同的碳泵机制，最大化海洋碳封存的效率。这种方法不仅凸显了各个碳泵之间的相互作用，也为深化我们对海洋碳负排放的理论框架，指明了提高海洋碳封存能力的可能路径。
图5. 生物碳泵-微型生物碳泵和碳酸盐反泵在海洋中的储碳差异
最后提出了一系列未来的研究方向，重点关注MCP对气候变化的响应以及与其它碳泵的相互作用。旨在通过陆海统筹营养盐管理、海水养殖场人工上升流以及基于污水处理厂的海水碱度增强等措施，可以最大限度地提高海洋碳封存的能力。这为全球碳中和研究和海洋管理提供了详尽思路，为科学创新促进可持续的环境保护奠定基础（图6）。
图6. 最大化海洋碳封存的综合方案
总结：
焦念志院士领衔的这篇综述为我们揭示了以MCP为核心的海洋碳循环过程在应对全球气候变化中扮演的重要角色。不仅突显了海洋碳循环对抗气候变化的未被充分认识的潜力，也展现出了海洋生态与全球碳循环相互织就的复杂网络。桥接了微观生态过程与全球碳循环的宏观影响，以及长周期尺度下气候变化与MCP之间的关联。而提出的BCMS策略，前瞻性的开辟了优化海洋碳负排放的新途径。这项研究不仅扩展了对地球化学系统微生物与有机碳之间深层次行为的理解，也为未来海洋碳中和与气候变化缓解提供了实用的思路与策略。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41579-024-01018-0
供稿人：陈泉睿
