张一迪：腾冲热泉中微生物席沿温度梯度的固碳速率【JGR，2020】

发布时间：2021-01-15     作者：[科学研究院]张帅    阅读：383次

位于汇聚板块边界的火山地热温泉是地下温室气体向地表排放的重要途径，但在估算地质来源CO₂排放通量时，往往会忽略热泉环境中的生物固碳。先前的研究已经表明，热泉中存在大量能够通过光合作用或化能合成作用固定CO₂的自养型微生物，并且其代谢能力会受到环境因子的影响。然而，嗜热微生物在热泉碳循环中的作用尚不清楚，其固碳能力与环境参数之间的定量关系也尚未建立。

针对上述科学问题，我校“极端环境生物地球化学循环”求真研究群体张一迪硕士研究生在侯卫国副教授指导下，选取云南腾冲火山地热国家地质公园中具有温度梯度（69-75  ^oC）的地热池，通过NaH¹³CO₃原位培养和高通量测序技术，探究在不同温度下热泉微生物的固碳能力和固碳微生物群落结构。研究取得的新认识如下：

1.  热泉微生物的固碳能力随温度升高而下降。基于碳同位素的原位培养结果表明，在温度较低的点（69 ^oC）测得最高固碳速率约4637 ug C/g  TOC/h，在温度最高处（75  ^oC）测得最低固碳速率约138 ug C/g  TOC/h；基于16sRNA的微生物群落结构分析表明，随温度升高微生物群落的固碳方式由光合作用转向化能合成作用，主要表现为随着温度升高，光合作用微生物Cyanobacteria的占比逐渐减少（42.6% - 1.8%），化能自养微生物Aquificae逐渐升高（5.5% - 56.4%）。

2.  热泉微生物的固碳能力在白天更为显著。用于模拟夜间微生物固碳的黑暗对照实验结果表明，微生物通过光合作用固碳的能力远远高于化能合成作用（图1）。基于前人对该地热池平均温度和二氧化碳排放量的测量数据，我们估算微生物能够将80％白天排放的CO₂固定为有机碳。但在天黑后的一小时内，光合作用微生物吸收了约34％-70％白天合成的有机碳用于呼吸代谢，这表明热泉在夜间会向大气中排放更多的CO₂。

     3.  白天的光合作用固碳速率和夜间的呼吸速率与温度呈负指数相关关系（图2），这表明温度仅变化1^oC就会对微生物的固碳速率产生巨大影响。这些相关性可能是由两种机制造成的，一个是蓝细菌Cyanobacteria的相对丰度与温度之间的负相关关系，二是相关酶的活性会随温度的升高而下降。这种相关性对于建立全球热泉碳预算模型有重要意义。

图1  热泉微生物固碳的累积量

（a）总固碳量；（b）光合作用固碳量；（c）化学合成固碳量

图2 白天总固碳速率（a）、白天光合作用固碳速率（b）和夜晚的有机碳消耗速率（c）均与温度呈负相关

上述研究成果发表于国际地球物理学著名期刊《Journal of Geophysical Research:  Biogeosciences》上：Zhang  Y.D., Qi X., Wang S., Wu G., Briggs B.R., Jiang H.C., Dong H.L., Hou W.G. Carbon  Fixation by Photosynthetic Mats Along a Temperature Gradient in a Tengchong Hot  Spring. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences,  2020, 125(9). [IF2019=3.406]

全文链接：https://doi.org/10.1029/2020JG005719