粪粒封装：揭示海洋浮游动物粪便颗粒如何通过结构完整性增强海洋碳封存 中文标题

《Limnology and Oceanography》：Fecal pellet packaging enhances marine carbon sequestration

海洋浮游动物产生的粪便是生物固碳从透光层向深海输送的关键载体。然而，其发生和组成常具有异质性，且在沉降过程中可能发生多种变化，这为其在碳通量中贡献的量化评估带来困难。本综述性研究通过多维度表征新鲜粪粒，阐明了其结构完整性（膜壳/黏液层）如何通过限制微生物呼吸（约2% d?1）和扩散来保护生物材料，从而强调了粪粒有别于其他颗粒的独特物理结构在减缓有机质再矿化、促进碳输出过程中的核心作用。

　　

研究背景与重要性

海洋浮游动物排泄的粪粒是海洋颗粒的重要组成部分，它将表层光合作用固定的有机碳携带至深海，在全球碳循环和生态系统健康中扮演着至关重要的角色。然而，粪粒的性质高度可变，其组成具有异质性，在沉降过程中可能发生物理结构松散、被其他生物摄食或再包装、破碎等变化，使其在海洋雪和碎屑颗粒池中难以区分。这些变化影响了微生物对其的降解效率，使得准确评估粪粒在碳通量中的贡献和机制成为一个知识缺口。本研究旨在通过对分类学上已识别生物体产生的新鲜粪粒进行多参数表征，以揭示驱动粪粒碳传输特性的关键因素，并量化其在沉降过程中的变化。

研究方法

本研究在百慕大大西洋时间序列研究站（BATS）附近海域进行采样，利用网具采集了包括樽海鞘、翼足类、浮游蜗牛、磷虾、桡足类和虾类在内的多种中上层浮游动物。随后，在0.2微米过滤海水中收集这些动物产生的粪粒，以获取具有自然环境摄食代表性的新鲜样本。对粪粒的表征采用了一系列综合技术：

1. 1.
   视觉形态表征：使用立体显微镜拍摄粪粒显微图像，根据几何形状（圆柱形、不规则形、矩形）和表观降解状态（完整、降解、空膜壳）进行分类，并利用ImageJ软件测量其面积、周长、长轴、短轴等参数以计算体积。
2. 2.
   碳含量测定：对48个代表性粪粒进行干燥，通过同位素比质谱仪测定其碳含量。
3. 3.
   沉降速度测定：在沉降柱中测定78个粪粒的沉降速度。
4. 4.
   孔隙度估算：基于沉降速度，应用适用于圆柱形物体的科马尔定律对斯托克斯定律进行修正，结合已知的固体材料密度，估算粪粒的密度和孔隙度。
5. 5.
   微生物呼吸测量：使用RotoBOD培养箱在恒温旋转条件下孵育137个粪粒，通过光学传感器技术测量氧气消耗，以量化好氧呼吸速率。同时，利用¹⁵N标记的亚硝酸盐示踪法检测粪粒内部潜在的厌氧反硝化作用。
6. 6.
   群落组成分析：对39个粪粒样本提取DNA，分别扩增16S rRNA基因（原核生物）和18S rRNA基因（真核生物）的特定区域，进行高通量测序，以解析粪粒相关的微生物群落及其真核来源物质的组成。

结果与发现

1. 1.
   粪粒形态与组成的高度异质性
   所研究粪粒的等效球径范围从122微米（桡足类）到2.5毫米（樽海鞘），形状多样。通过18S rRNA基因测序分析发现，粪粒中真核来源物质的组成具有高度异质性，涵盖了节肢动物、子囊菌、甲藻、脊索动物等多个门类。主坐标分析和统计检验表明，除了来自同一链状群体的个别樽海鞘粪粒外，粪粒的组成与产生动物的分类学身份（物种）或采样站点没有显著关联，也未检测到特定于分类单元的指示物种。这表明在寡营养海域，动物的摄食策略很可能是非选择性的，粪粒组成主要反映了动物在空间和时间上对斑块状分布食物源的随机性摄食。
2. 2.
   微生物群落与来源物质的关联
   粪粒的原核微生物群落（基于16S rRNA基因）组成同样显示出较高的随机性。有趣的是，微生物群落的物种丰富度（Chao1指数）与真核来源群落的物种丰富度呈现极强的正相关，并且多个主要的真核和原核生物类群在相对序列丰度上存在显著相关性。这表明粪粒中的大量微生物是随着食物源材料一同被摄食进入的，而非主要来自动物肠道微生物组或后期从周围海水的定殖。
3. 3.
   碳含量、沉降速度与孔隙度的尺寸依赖关系
   研究并未观察到粪粒碳含量和沉降速度与尺寸呈简单的线性关系。相反，较小的粪粒表现出不成比例的高碳含量和高速沉降速率。例如，桡足类粪粒的平均碳浓度为2948 ± 2873微克C mm^?3，而大型樽海鞘粪粒仅为19 ± 10微克C mm^?3；桡足类粪粒平均沉降速度为249 ± 24 米/天，而大型樽海鞘粪粒可达1404 ± 187 米/天。基于沉降速度估算的孔隙度与粪粒体积呈指数相关，与碳浓度呈反比线性相关。这些结果共同支持了一个结论：随着尺寸增大，粪粒的包装变得更为松散，孔隙度增加。 这可能是由于几何原因，大颗粒内部可容纳更大的食物碎屑，导致堆叠密度降低。因此，在跨尺度（从桡足类到樽海鞘粪粒）分析时，碳含量与体积之间可用幂律关系描述，沉降速度与二维面积的对数相关。
4. 4.
   受表面可及性限制的微生物呼吸
   粪粒相关微生物的好氧呼吸速率平均为0.028 ± 0.032 微摩尔O₂粪粒^?1天^?1，按碳含量标准化后约为0.030 ± 0.025 [O₂/C] 天^?1。假设呼吸商为0.88，这相当于平均每天仅约2%的碳被再矿化，该速率远低于其他地区测得的有机质总再矿化速率中位数。呼吸速率与粪粒的碳含量、体积或群落组成（α多样性、特定类群丰度）无显著相关性，但与粪粒的二维面积和周长显著相关。这表明，微生物呼吸主要受粪粒表面积的限制，而非内部物质组成。表面可及性可能通过限制氧气和营养物质的扩散，以及代谢产物在颗粒内部的积累来影响呼吸效率。
5. 5.
   结构完整性的关键保护作用
   视觉上被归类为“降解”的粪粒（具有柔软边缘、松散形态或破裂外壳），其单位碳呼吸速率显著高于“完整”粪粒。同时，降解粪粒的碳浓度显著更低，估算孔隙度显著更高。这表明，尽管完整粪粒含有包装更紧密、可能更易分解的生物材料，但其结构完整性（由甲壳动物的几丁质膜壳或其他动物的黏液层提供）有效地限制了微生物的接触和分解。此外，研究未在任何粪粒中检测到反硝化作用产生的N₂气体，基于孔隙度和呼吸速率的模型估算也表明粪粒内部可能不会形成缺氧微区，进一步证实了好氧条件在颗粒内部的维持。

讨论与结论

本研究系统揭示了海洋浮游动物粪粒在碳输出中的独特作用机制。在寡营养的BATS海域，粪粒的组成异质性高，主要反映了非选择性摄食策略，而非捕食者的特定食性。粪粒的微生物群落很大程度上由其摄食的源材料引入。粪粒的物理结构，特别是其结构完整性，是控制其碳封存效率的核心因素。 紧密的包装和完整的膜壳/黏液层通过限制微生物与基质的接触面积和扩散过程，将呼吸再矿化速率抑制在很低的水平（~2% d^?1）。因此，破碎过程可能是使粪粒内部有机质暴露于更快速降解的关键步骤。 本研究的发现强调，在海洋碳循环模型中，需要将粪粒作为一个具有独特物理特性（如受尺寸影响的孔隙度、结构完整性）的颗粒类别进行参数化，以更准确地评估其在“生物泵”碳输出中的贡献。未来研究需考虑不同海域食物供应和摄食策略差异对粪粒包装和组成的影响。