科学通报 | 异养代谢回补反应在深海黑暗固碳中的贡献被重估

长期以来, 海洋表层初级生产被认为是支撑深海生态系统的主要碳源 [1] . 真光层光合生物固定的CO2, 以颗粒有机碳的形式通过重力沉降进入黑暗海洋, 为深海异养微生物提供物质和能量. 然而, 大量研究表明, 深海异养微生物的碳需求远高于表层输出的有机碳通量, 二者之间存在显著的不平衡. 这一不平衡暗示, 黑暗海洋并非完全依赖表层输入, 无光环境中的原位有机碳生产也可能是深海碳收支中不可忽视的补充来源 [ 2 ~ 4 ] .

传统观点认为, 深海原位有机碳生产主要来自化能自养微生物对溶解无机碳(dissolved inorganic carbon, DIC)的固定. 化能自养微生物通过氧化氨、亚硝酸盐、硫化物等还原性化合物获取能量, 并经由不同的自养固碳途径同化DIC: 氨氧化古菌主要通过3-羟基丙酸-4-羟基丁酸循环(3HP-4HB cycle)固碳; 海洋中主要的亚硝氧化细菌则多采用还原性三羧酸循环(rTCA cycle); 而硫氧化菌等则多采用卡尔文循环(Calvin-Benson-Bassham cycle, CBB cycle) [ 5 , 6 ] . 其中, 硝化微生物长期以来被认为是深海最主要的化能自养固碳者 [7] . 然而, 近期研究表明, 开阔大洋中氨氧化等硝化过程对总黑暗DIC固定的贡献最多约占30% [ 7 ~ 10 ] , 且目前已认知的化能自养途径难以完全解释观测到的黑暗DIC固定总量 [10] . 这一矛盾引出了一个重要的科学问题: 除经典自养固碳外, 异养代谢过程中的DIC同化(即回补反应, anaplerotic DIC fixation)是否也是黑暗海洋无机碳固定的重要组成部分 [ 11 , 12 ] ?

回补反应是细胞中心碳代谢中维持TCA循环中间产物库稳定的重要机制. 当TCA循环的中间产物(如草酰乙酸、α-酮戊二酸等)被抽调用于氨基酸、核苷酸等生物合成时, 细胞可通过磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate, PEP)羧化酶或丙酮酸羧化酶催化DIC固定到C3骨架上, 生成草酰乙酸等C4中间产物, 从而补充TCA循环的中间产物库, 维持代谢通量 [ 11 , 12 ] . 与自养固碳途径不同, 回补反应固定的DIC仅占细胞总碳同化量的较小比例, 不足以独立支撑细胞生长; 其本质上是异养代谢过程中对DIC的次级同化 [12] . 因此, 其海洋尺度的重要性长期被低估, 活跃类群、环境分布及碳固定贡献缺乏定量约束 [ 12 , 13 ] .

近期, Amano等人 [13] 系统评估了回补反应对黑暗海洋无机碳固定的潜在贡献. 该研究整合了全球海洋宏组学数据、 Alteromonas 代表菌株的纯培养生理学实验、基因组尺度代谢模型以及环境样品的单细胞示踪, 构建了一条从多组学分子信号到生理功能验证, 再到海洋尺度碳固定贡献估算的完整证据链, 为重新认识异养微生物在黑暗碳固定中的作用提供了新的视角 [ 13 , 14 ] . 该研究在以下三个方面取得了重要进展( 图1 ).

图1 回补反应对黑暗海洋无机碳固定的重要贡献. (a) 自养固碳与回补性DIC固定相关酶的宏转录组与宏蛋白组全球表达分布; (b) 纯培养Alteromonas代表性菌株AltDE异养生长中的DIC固定量及其占异养生物量产量的比例; (c) AltDE中回补性DIC固定的代谢通路; (d) AltDE生物量形成中的有机碳与无机碳来源; (e) 环境样品中Alteromonas单细胞DIC固定活性的MICRO-CARD-FISH分析. 修改自Amano等人[13]

首先, 该研究揭示了回补反应相关酶在全球海洋中的广泛分布与表达, 并发现 Alteromonas 是深海回补性DIC同化的潜在关键异养类群. 他们基于 Tara Oceans 宏基因组、宏转录组以及已发表的全球海洋宏蛋白组数据, 比较了CBB循环、rTCA循环、3HP-4HB循环、二羧酸–4-羟基丁酸循环(DC-4HB cycle)、Wood-Ljungdahl途径以及异养回补反应相关酶的表达分布特征 [ 13 , 14 ] . 结果显示, PEP羧化酶是表达最突出的回补性DIC同化酶, 其转录水平约为丙酮酸羧化酶的10倍, 且在叶绿素最大层以下仍保持较高表达; 宏蛋白组中, 该羧化酶的相对表达量也高于多种自养固碳关键酶. 进一步的类群解析显示, Alteromonas 缺乏经典化能自养固碳途径的关键基因, 但在整个水柱中均表现出稳定且显著的PEP羧化酶转录和蛋白表达, 这表明其DIC同化更可能由回补途径介导( 图1(a) ). 基于此, 他们将 Alteromonas 视为研究海洋异养细菌回补性DIC同化的理想模式类群.

第二, 该研究通过纯培养实验和代谢模型, 明确了 Alteromonas 在异养生长过程中同化DIC的功能及其代谢基础. 作者选取可培养、基因组信息明确的 Alteromonas mediterranea deep ecotype(AltDE)作为代表菌株, 在葡萄糖和丙氨酸两种有机碳源及不同温度条件下, 测定了其DIC固定量、异养生物量产量及呼吸碳损失量. 结果表明, AltDE确实能够在异养生长过程中将DIC同化为生物量, DIC固定量占异养生物量产量的4.6%~10.2%, 平均为6.5%±1.9%, 且始终低于呼吸碳损失量( 图1(b) ). 这表明, 回补性DIC同化不能替代有机碳摄取, 也不足以支持细胞以CO2为主要碳源进行生长, 但可为异养生物量合成补充部分碳骨架. 代谢模型和通量平衡分析进一步显示, 以葡萄糖和丙氨酸分别为唯一碳源时, 经PEP羧化酶的碳流高于经乙酰辅酶A进入TCA循环的碳流, 且乙醛酸旁路对TCA循环中间产物的补充有显著贡献, 表明AltDE中回补反应和乙醛酸旁路共同维持了TCA循环中间产物库的稳定( 图1 (c, d)). 这些结果说明, Alteromonas 的DIC同化并非独立的化能自养固碳过程, 而是其异养中心代谢中受碳源类型和能量状态调控的组成部分.

第三, 该研究通过单细胞示踪, 在自然黑暗海洋群落中直接观测到了 Alteromonas 的DIC同化活性, 揭示其回补反应对黑暗DIC固定的可观贡献. 作者在大西洋和太平洋黑暗水层样品中测定了总黑暗DIC固定速率, 并将14C-HCO3–示踪与微量放射自显影-催化报告沉积荧光原位杂交(MICRO-CARD-FISH)相结合, 直接识别同化DIC的 Alteromonas 细胞. 结果显示, 200 m 以下样品中仅0~2%的原核细胞呈DIC固定阳性信号; Alteromonas 平均约占总原核细胞的1%, 其中0~25%的细胞呈DIC固定阳性. 进一步按水团划分后发现, Alteromonas 占DIC固定阳性原核细胞的比例为0~43%(中位数17%, 95%置信区间为10%~28%)( 图1(e) ). Alteromonas 这种“低丰度、高贡献”的生态特征可能与病毒裂解驱动的快速细胞周转相关 [ 13 , 14 ] . 有限样品显示, Alteromonas 对黑暗DIC固定的相对贡献存在水团差异, 这种空间异质性可能与不同区域的有机碳供给背景及其季节变化相关. 基于 Alteromonas 占DIC固定阳性原核细胞的比例, 研究初步估算其回补性DIC固定的全球潜在通量为0.1~0.4 Pg C a–1(中位数约为0.2 Pg C a–1), 这一量级与硝化作用驱动的DIC固定量(0.1~1 Pg C  a–1)相当 [ 5 , 8 , 10 , 13 , 15 ] . 这一估算将回补反应从细胞代谢概念提升至海洋碳收支的讨论范畴, 为不同微生物过程对黑暗DIC固定的相对贡献提供了新的定量约束.

综上所述, Amano等人的研究将长期被视为细胞内部补充代谢的回补反应, 提升为可在自然海洋群落中识别、验证并纳入深海碳收支讨论的生物地球化学过程, 拓展了人们对黑暗海洋DIC固定途径多样性和调控机制的认识. 未来关于深海碳循环的研究仍需要重点关注以下三个方面: 其一, 发展近原位实验体系, 以真实反映深海微生物活性; 其二, 拓展代表性类群与环境梯度研究, 降低单一外推的不确定性; 其三, 推动微生物过程及其调控效应的参数化, 将回补反应等关键过程纳入模型. 综合上述方向, 未来有望更清晰地解释深海碳收支不平衡问题, 完善海洋碳循环模型.

参考文献

[1] Field C B, Behrenfeld M J, Randerson J T, et al. Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components. Science, 1998, 281 237-240

[2] Giering S L C, Sanders R, Lampitt R S, et al. Reconciliation of the carbon budget in the ocean’s twilight zone. Nature, 2014, 507 480-483

[3] Herndl G J, Reinthaler T. Microbial control of the dark end of the biological pump. Nat Geosci, 2013, 6 718-724

[4] Shen J, Jiao N, Dai M, et al. Laterally transported particles from margins serve as a major carbon and energy source for dark ocean ecosystems. Geophys Res Lett, 2020, 47 e2020GL088971

[5] Middelburg J J. Chemoautotrophy in the ocean. Geophys Res Lett, 2011, 38 L24604

[6] Swan B K, Martinez-Garcia M, Preston C M, et al. Potential for chemolithoautotrophy among ubiquitous bacteria lineages in the dark ocean. Science, 2011, 333 1296-1300

[7] Pachiadaki M G, Sintes E, Bergauer K, et al. Major role of nitrite-oxidizing bacteria in dark ocean carbon fixation. Science, 2017, 358 1046-1051

[8] Zhang Y, Qin W, Hou L, et al. Nitrifier adaptation to low energy flux controls inventory of reduced nitrogen in the dark ocean. Proc Natl Acad Sci USA, 2020, 117 4823-4830

[9] Zakem E J, Bayer B, Qin W, et al. Controls on the relative abundances and rates of nitrifying microorganisms in the ocean. Biogeosciences, 2022, 19 5401-5418

[10] Bayer B, Kitzinger K, Paul N L, et al. Minor contribution of ammonia oxidizers to inorganic carbon fixation in the ocean. Nat Geosci, 2025, 18 1144-1151

[11] Erb T J. Carboxylases in natural and synthetic microbial pathways. Appl Environ Microbiol, 2011, 77 8466-8477

[12] Braun A, Spona-Friedl M, Avramov M, et al. Reviews and syntheses: heterotrophic fixation of inorganic carbon – significant but invisible flux in environmental carbon cycling. Biogeosciences, 2021, 18 3689-3700

[13] Amano C, Willhelm U, Koch T, et al. Major contribution of anaplerosis to inorganic carbon fixation in the dark ocean. Nat Geosci 2026

[14] Zhao Z, Amano C, Reinthaler T, et al. Metaproteomic analysis decodes trophic interactions of microorganisms in the dark ocean. Nat Commun, 2024, 15 6411

[15] Bayer B, McBeain K, Carlson C A, et al. Carbon content, carbon fixation yield and dissolved organic carbon release from diverse marine nitrifiers. Limnol Oceanogr, 2023, 68 84-96

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