微生物海洋学:量化微生物对碳和氮循环的贡献(NanoSIMS)

量化海洋微生物对碳和氮循环的贡献以及它们对预计的海洋变暖的反应是微生物海洋学的一大挑战。本文作者研究了在温带生态系统中,海洋异养*和自养*细胞的细胞比活性以及单细胞之间的相应碳和氮转移对温室效应(比环境温度高4℃)的影响。使用稳定同位素标记的底物(对自养生物使用13CO2气体,对异养生物使用15N-亮氨酸),在温度不断升高的条件下原位培养海水样品。NanoSIMS用于量化自由活细胞以及浮游植物细菌聚集体对碳和氮的吸收(浮游植物细菌聚生体在这里定义为与浮游植物物理附着的细菌)。

NanoSIMS isotope analysis: C and N uptake by marine microorganism

上图:所有已分析的用13C-碳酸氢盐和15N-亮氨酸培养的微生物细胞的13C和15N同位素富集的对比(虚线=同位素天然丰度)。每个点代表一个细胞,通过整合NanoSIMS图像中定义的感兴趣区域的像素获得富集程度。NanoSIMS富集程度图像显示已鉴定的异养生物(左侧)和一个自养生物(右侧,采用箭头标识)。

下图:一个加温培养的浮游植物细菌菌群(=物理附着)的放大图像。
(a)浮游植物细胞与附着的细菌细胞的13C掺入率之间呈正相关;(b)细菌与附着的浮游植物细胞的15N掺入率之间呈正相关。
图片:两个异养细菌附着在一个超微浮游植物细胞上。

marine-microorganism-C-N-cycle

结果:温度升高使总固碳量增加了50%以上,其中有一小部分(但较重要)在12小时内转移到异养生物中。细胞间的附着使异养细菌的二次碳吸收量增加了一倍,而自养生物的二次氮掺入量则增加了68%。加温使浮游植物的丰度增加了80%,使浮游植物转移到细菌的碳总量增加了17%,细菌转移到浮游植物氮总量增加了50%。

研究结果表明,浮游植物细菌附着为营养物质掺入提供了一种生态学优势,表明这种互补关系似乎随着温度的增加而增强。

资料来源:温度升高使浮游植物和异养细菌之间通过物理附着增加碳和氮通量。Nestor Arandia-Gorostidi, Peter K Weber, Laura Alonso-Sáez, Xosé Anxelu G Morán和Xavier Mayali.The ISME Journal (2016), 1–10.

* 基本词汇:
- 自养生物:利用光(光合作用)或无机化学反应所产生的能量将周围存在的无机和矿物质转化成复杂有机化合物的有机体。例如:植物、藻类、蓝藻细菌、硫酸盐还原细菌……
- 异养生物:利用有机碳维持生长且无法固定无机来源的碳(例如二氧化碳)的有机体。例如:动物、真菌、细菌……