海洋所首次研究發(fā)現(xiàn)氨基糖單體碳同位素可指示海洋有機(jī)質(zhì)降解過(guò)程
近日,中國(guó)科學(xué)院海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋金明團(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國(guó)亥姆霍茲基爾海洋研究中心(GEOMAR),在地學(xué)領(lǐng)域TOP期刊Limnology and Oceanography發(fā)表最新研究成果,揭示了氨基糖單體碳同位素在異養(yǎng)細(xì)菌、浮游植物以及在有機(jī)質(zhì)降解過(guò)程中的變化特征,并探討了其對(duì)有機(jī)質(zhì)異養(yǎng)轉(zhuǎn)化的指示作用。
海洋有機(jī)質(zhì)是海洋中最大的還原性碳儲(chǔ)庫(kù),其在全球碳循環(huán)中扮演著非常重要的角色。海洋有機(jī)質(zhì)中有一小部分(<10%)可在短時(shí)間尺度內(nèi)(小時(shí)到天)被微生物快速利用,稱為活性有機(jī)質(zhì)。盡管活性有機(jī)質(zhì)占比很小,但其在支撐微食物網(wǎng)、驅(qū)動(dòng)元素循環(huán)方面發(fā)揮著重要作用。此外,活性有機(jī)質(zhì)的降解轉(zhuǎn)化與大氣二氧化碳緊密相連,因此探究海洋有機(jī)質(zhì)的活性及周轉(zhuǎn)過(guò)程對(duì)于理解海洋儲(chǔ)碳及碳循環(huán)機(jī)制至關(guān)重要。傳統(tǒng)上,通?;谟袡C(jī)分子(如氨基糖)豐度或構(gòu)成評(píng)估有機(jī)質(zhì)的生物活性。然而,此方法難以精細(xì)地刻畫(huà)有機(jī)質(zhì)的異養(yǎng)代謝過(guò)程。近年來(lái)單體同位素分析技術(shù)的發(fā)展為解決這一問(wèn)題提供了有力工具。相比于總有機(jī)質(zhì)(Bulk)同位素分析,單體同位素直接反映某一特定分子的同位素特征,從而能夠避免選擇性降解和多種化合物來(lái)源對(duì)bulk同位素值的影響。但到目前為止,對(duì)有機(jī)質(zhì)重要組分氨基糖的單體同位素特征依然未知。
本研究通過(guò)室內(nèi)純培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),測(cè)定了四種異養(yǎng)細(xì)菌以及四種浮游植物中的氨基糖單體碳同位素值。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步通過(guò)模擬微生物降解實(shí)驗(yàn),探究了在由活性有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎栊杂袡C(jī)質(zhì)的過(guò)程中,氨基糖單體碳同位素的變化機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),異養(yǎng)細(xì)菌中葡萄糖胺(GlcN)和半乳糖胺(GalN)的碳同位素值較為接近,相差0.4‰到4‰,而浮游植物中兩者則差異較大(4.3-16.6‰)。這一結(jié)果顯示異養(yǎng)細(xì)菌可能具有相似的葡萄糖胺和半乳糖胺合成機(jī)制,而浮游植物對(duì)兩者的合成可能通過(guò)不同的路徑。相對(duì)葡萄糖胺和半乳糖胺,細(xì)菌在其特異性氨基糖胞壁酸(MurA)的合成中則優(yōu)先利用輕的碳同位素(12C)。

不同浮游植物和異養(yǎng)細(xì)菌中氨基糖單體碳同位素的差異
微生物降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,葡萄糖胺與半乳糖胺的碳同位素差值由降解初期的5.8‰降低到了降解末期的1‰。這一變化與藻類和菌類的純培養(yǎng)結(jié)果相一致。在降解初期,細(xì)菌快速消耗活性有機(jī)質(zhì)并將一部分活性有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為細(xì)菌有機(jī)質(zhì)。而在降解后期,由于活性碳源消耗殆盡,細(xì)菌可能通過(guò)再循環(huán)利用分子碎片以節(jié)省能量消耗。

氨基糖單體碳同位素在有機(jī)質(zhì)降解過(guò)程中的變化
基于氨基糖單體碳同位素在細(xì)菌和藻類中的分布模式以及在有機(jī)質(zhì)降解過(guò)程中的變化特征,本研究提出了一個(gè)新指標(biāo)VAS,以反映氨基糖的細(xì)菌再合成。通過(guò)對(duì)外海顆粒物及沉積物樣品的分析,發(fā)現(xiàn)這一指標(biāo)相較于傳統(tǒng)氨基糖降解指標(biāo)GlcN/GalN能夠更加精細(xì)地反映有機(jī)質(zhì)的降解狀態(tài),從而為更加準(zhǔn)確地探析海洋有機(jī)質(zhì)細(xì)菌改造和轉(zhuǎn)化提供了另一有力工具。

氨基糖單體同位素變化指數(shù)VAS與傳統(tǒng)降解指標(biāo)GlcN/GalN關(guān)系
論文第一作者為郭金強(qiáng)博士(目前在德國(guó)亥姆霍茲海洋研究中心從事博士后研究),宋金明、袁華茂研究員為論文共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院A類先導(dǎo)專項(xiàng)、山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
相關(guān)論文及鏈接如下:
Guo, J. Q., Achterberg, E. P., Shen, Y., Yuan, H. M. *, Song, J. M.*, Liu, J., Li, X. G., and Duan, L. Q. (2023). Stable carbon isotopic composition of amino sugars in heterotrophic bacteria and phytoplankton: Implications for assessment of marine organic matter degradation. Limnology and Oceanography. https://doi.org/10.1002/lno.12468.
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