海洋微型生物碳泵——从微型生物生态过程到碳循环机制效应

微型生物是海洋生态系统中"看不见的主角",在资源环境以及全球变化中扮演着举足轻重的角色.本研究通过方法创新和大量现场调查,从一类特殊微型生物类群——好氧不产氧光合异养细菌(AAPB)入手,展开了微型生物生态过程与机制的系统研究,修正了国际同行AAPB计数方法的误差,获得了全球海洋AAPB的分布规律,解释了以往现场实测结果的分歧,澄清了以往理论上的偏颇认识;建立了包括不产氧光能利用途径的上层海洋碳循环模型,并通过大量现场实测揭示:细菌光能利用关系到海区碳循环的"源""汇"格局;在这些研究基础上探讨了新的海洋碳循环机制,提出了"微型生物碳泵"理论框架,为全面认识海洋储碳机制、促进学科交叉、研发海洋碳汇奠定了基础.

浮游胶质被囊动物暴发机制及海洋碳泵效应

滤食性浮游被囊动物在开阔大洋和沿海海域中大量存在,通过黏液网来大量过滤海水浓缩食物颗粒以供种群快速增殖,是生物碳泵的关键组成,对海洋生物地球化学循环和生态系统能量流动均有重要意义。文章从浮游被囊动物生物学特征、植食性滤食作用、生活史特异性等方面综合论述了国内外关于浮游被囊动物在摄食海洋微型生物、调节海洋生物碳泵(biological carbon pump,BCP)和改变微型生物群落结构以及联系深海食物网等方面的作用。概括了国内外影响浮游被囊类暴发的食物因素、生活史特征、海洋动力过程及气候变化等相关研究进展。浮游被囊动物通过黏液过滤打包真光层微型生物,产生的粪便球和胶质死体快速沉降而输出成为胶质碳泵,从而增加BCP效率,改变微型生物碳循环途径;作为上层海洋生态系统与深海生态系统的媒介,胶质坠落在深海群落和底栖动物食物网中扮演重要作用。文章最后总结了其他胶质碳泵的相关研究进展,并提出在全球变化背景下,未来的研究应该更多地着眼于动力过程对不同生活史阶段浮游被囊动物的垂直移动和集群的影响,并将过滤摄食对微生物群落影响及繁殖策略响应与海洋物理、化学和生物环境多维度联系起来,全面解释浮游被囊类暴发的内在和外在机制,有助于准确评估海洋被囊类胶质碳泵效率及其对全球变化的响应。

“微生物碳泵”作用下的土壤有机碳稳定性及其吸附特性研究进展

土壤有机质,特别是其相对稳定的组分,是控制污染物尤其是有机污染物吸附稳定的关键因素。微生物介导下的有机质再合成产物,即“微生物碳泵”作用下的有机碳,对稳定性碳库有重要贡献,其打破了以植物衍生物碳复杂分子结构为主导的稳定性碳库的传统观点。因此,理解“微生物碳泵”作用下,有机碳稳定性机制及其与污染物的相互作用成为环境地学研究的新挑战。本文综述了不同微生物群落组成和无机矿物组分作用下,微生物来源的有机碳组成和性质及其稳定性研究;并重点强调“微生物碳泵”作用下,稳定性有机碳与污染物相互作用的研究进展。最后,展望了“微生物碳泵”作用下稳定性有机碳的未来研究方向,以期为提升土壤固碳能力、实现“固碳减排”举措、帮助土壤污染修复治理提供新思路。

微型生物碳泵研究进展

人类活动导致大气二氧化碳(CO2)浓度持续升高,加剧了气候变化,引发全球关注.海洋是地球表面最大的活跃碳库,工业革命以来吸收了近1/3人类活动排放的CO2,调控着全球气候变化.海洋吸收和储藏CO2的机制包含物理、化学和生物过程,其中“微型生物碳泵(MCP)”是一种新认识的生物机制,阐述了由微型生物(异养细菌、古菌、病毒和原生生物等)参与的将活性有机质转化为惰性溶解有机质(RDOM)的生态过程,在海洋循环和储藏中发挥重要作用.本文回顾自MCP理论提出以来的重要研究进展,包括:MCP介导的RDOM解析方法及其分子特征,海洋微型生物与DOM的相互作用机制,病毒及原生生物介导的碳循环对海洋有机质的影响等,并展望MCP未来研究方向.

喀斯特筑坝河流中生物碳泵效应的碳施肥及对水化学时空变化的影响——以贵州平寨水库及红枫湖为例

耦联水生光合作用的碳酸盐风化碳汇是全球碳循环的重要组成部分,而生物碳泵效应是稳定碳酸盐风化碳汇的关键机制.河流筑坝后,生物碳泵效应的变化、控制因素及对水化学影响的研究甚少.本研究对2个喀斯特筑坝河流平寨水库和红枫湖进行系统采样,以研究河流筑坝后生物碳泵效应的变化、控制因素及对水化学的影响.研究结果表明,入库河流的水化学变化不明显,而2个水库的水化学则表现出显著的季节变化特征,具体表现为水库的水温和pH均呈现出夏季高、冬季低的变化特征,而电导率(EC)、HCO-3浓度和p CO 2则表现出夏季低、冬季高的季节变化特征.以叶绿素a(Chl.a)浓度和溶解氧(DO)饱和度指代的生物碳泵效应则是在夏季最强、冬季最弱.生物碳泵效应利用溶解性无机碳(DIC),形成有机质并释放出氧气,是造成夏季水库pH值和DO饱和度升高,电导率(EC)、HCO-3浓度和p CO 2降低的主要因素.空间上,水库的Chl.a浓度及DO饱和度均大于河水,EC、HCO-3浓度和p CO 2均小于河水,这表明河流筑坝后,由于水库的“湖泊化”导致水库的生物碳泵效应显著提高.通过对Chl.a与碳、氮和磷浓度及化学计量比的相关性分析发现,平寨水库和红枫湖的生物碳泵效应受到碳施肥的影响.平寨水库和红枫湖水库生物碳泵效应碳施肥机制的发现,表明在喀斯特地区,生物碳泵效应不仅受到氮磷元素的控制,也受到碳元素的控制,因此在富营养化湖泊治理时,也应考虑碳的影响.

生物碳泵效应对水化学及浮游藻类演替的影响——以大理洱海为例

为了探究喀斯特地表水体生物碳泵效应(BCP)对水化学时空变化和浮游藻类演替的影响,于2020年7月至2021年4月对洱海进行了4个季度的监测采样,对水化学和营养盐及浮游藻类进行了定性定量测定。结果表明,洱海水化学参数时空变化明显。空间上,洱海内水温、pH、电导率(EC)和HCO^(-)_(3)浓度均低于主要入湖河流。季节上,水温、EC、溶解氧(DO)和叶绿素a(Chl-a)浓度夏秋季高,冬春季低;HCO^(-)_(3)浓度则呈夏秋季低而冬春季高。在营养盐控制方面,通过对碳、总氮(TN)和总磷(TP)浓度化学计量比与Chl-a的相关性分析发现,洱海浮游藻类的生长在春夏季受控于C浓度,秋冬季受制于P浓度。此外,通过对浮游藻类群落结构的变化分析发现,浮游藻类生长消耗水体溶解CO_(2),进而影响其群落结构的演替,而当CO_(2)浓度高于10μmol/L时,浮游群落中蓝藻比例不断下降。研究表明,BCP效应不仅受控于N、P,同时也受到C的影响,且浮游藻类对CO_(2)的消耗会进一步影响水体中浮游藻类的群落结构,因此在水体富营养化的治理中,应关注C的影响。

土壤微生物碳泵概念体系2.0

土壤微生物在陆地生态系统元素循环中扮演着关键角色,对土壤健康、粮食安全和全球气候变化发挥着重要的调节作用。土壤微生物同化代谢产物对土壤碳储存与有机质维持的贡献不容忽视。近年来,以微生物代谢和死亡残体生成过程为核心提出的土壤微生物碳泵概念体系得到了广泛关注,它主要描述了以土壤异养微生物代谢为驱动的土壤有机碳形成和稳定化过程,是目前陆地生态系统碳固存的重要机制体系与研究热点。本文对该体系的研究进展进行了梳理,并提出了引入自养微生物固碳通道与结合土壤矿物碳泵概念的土壤微生物碳泵概念体系2.0,以期丰富和完善现有的微生物介导的陆地生态系统土壤碳循环与固持机制,为实现我国“双碳”目标提供理论支撑。

热力学碳泵循环构建:以变温吸附碳捕集为例

制约碳捕集技术实用化的重要瓶颈在于捕集能耗过高,而热力学是能源系统效能分析的有力工具。基于将热力学研究方法应用到碳捕集技术效能分析的思想,本文以变温吸附碳捕集为例,按照"物性-过程-冷热源-循环"顺序,完成热力学碳泵循环(TCPC)的构建,进而考察循环参数对总能耗和第二定律效率的影响。结果显示;循环能耗主要受循环温度、吸附剂和吸附相等影响,吸附相显热大约占循环总能耗的2%;第二定律效率区间为13.91%~21.21%,具有较高节能潜力;TCPC作为一种基于热力学思想的"量化规尺",可对碳捕集技术展开效能分析,进而对影响循环总能耗的主要因素进行归纳,并可通过第二定律效率对技术成熟度进行判断,有效挖掘碳捕集技术的节能潜力。

海洋微型生物碳泵储碳机制及气候效应

海洋中存在一个巨大的惰性溶解有机碳(RDOC)库,可与大气CO2碳量相媲美.两个碳库之间的交换势必影响气候变化.RDOC可在海洋中保存数千年,构成了海洋储碳的重要机制.探寻RDOC碳库形成机制是认识海洋如何储碳的关键.新近提出的"海洋微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump,MCP)"理论指出,海洋微型生物是RDOC碳库的主要贡献者.本文从MCP的主动机制和被动机制及其环境调控出发,论述了海洋RDOC的组成与生物来源,RDOC组分的微型生物代谢途径,病毒的裂解过程以及浮游动物活动对RDOC生产的贡献,不同类群微型生物有机碳代谢特征及其生物标记物与碳氢同位素表征,以及MCP的能量代谢特征与储碳效率,并结合MCP储碳的地史证据展望了MCP在增加海洋储碳能力方面的应用前景.

土壤微生物碳泵储碳机制概论

土壤有机碳储量高于大气和陆地植被碳的总和,是一个巨大的陆地碳库.土壤碳库收支的微小波动势必影响区域碳通量和全球气候变化.土壤有机碳是土壤储碳机制的核心要素,探究土壤有机碳的组成、来源和稳定性机制是深入认识陆地碳汇功能和应对气候变化的关键.近年来提出的土壤微生物碳泵(microbial carbon pump,MCP)概念强调了土壤微生物同化合成产物是土壤稳定有机碳库的重要贡献者,其概念体系可以较好地阐释土壤有机碳的来源、形成与截获过程.本文以微生物介导的土壤有机碳转化过程为主线,详细阐述了土壤MCP介导的储碳机制及其影响因素,并展望了该机制驱动下可给予关注的代表性科学问题.

低碳热泵空调技术研究综述

随着建筑能耗所占社会总能耗比例愈来愈大,其中空调能耗占建筑能耗比例超过50%,发展低碳热泵空调技术是我国发展多元化、清洁化和高效化能源战略的一项重要措施。本文综述了空气源、地热源、水源以及复合热泵的运行原理与研究发展现状,并总结了不同技术及其相关设备建设运行所存在的优缺点。最后以千岛湖亚运赛区为例进行热泵空调技术应用选型。

珊瑚礁生态系统固碳过程及储碳机制研究进展

珊瑚礁生态系统在全球碳循环和气候变化中发挥着重要作用。珊瑚礁生态系统是潜在的蓝色碳汇,我国珊瑚礁总面积约占全球的11%,每年的固碳量大约在3.5×10^(6)~4.5×10^(6)t之间。珊瑚礁生态系统的总储碳量非常巨大,同时珊瑚礁生态系统作为碳库在碳交易中具有非常大的潜在应用价值。文章综述了珊瑚礁生态系统中的固碳过程及储碳机制,包括碳酸盐泵、生物泵和微型生物碳泵,阐述了三种碳泵的研究进展。同时,针对目前研究存在的不足和问题,提出未来研究方向,以期为南海岛礁珊瑚礁生态系统的保护和管理提供科学依据。

海洋微型生物碳泵理论的发展与展望

微生物是驱动海洋元素循环的主体,在调节全球气候变化中起着重要作用.近半个世纪海洋研究的一个谜团就是"为什么有着一个相当于大气CO2碳总量的惰性溶解有机碳(Recalcitrant Dissolved Organic Carbon, RDOC)库在海洋中长期存在?".生物泵(Biological Pump, BP)和微食物环(Microbial Loop, ML)研究加深了我们对生物在海洋碳循环中作用的理解,但直到微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump, MCP)理论的提出,才真正阐释了海洋惰性溶解有机碳来源和存储的生物地球化学机制. MCP是由微型生物介导的溶解有机碳(非沉降)转化和迁移的海洋储碳新机制,提出了RDOC产生的3个重要途径:(1)微型生物特别是异氧细菌和古菌在有机质降解代谢过程中改造并分泌RDOC;(2)病毒颗粒裂解宿主导致细胞的死亡并释放RDOC;(3)原生动物等捕食者摄食微型生物并释放RDOC. MCP揭示了海洋RDOC的惰性机制,定义了两类RDOC组分(RDOCc和RDOCt),为调节气候和改善生态环境提供了可验证的理论.为纪念中国科学家在海洋碳循环领域的突出贡献,文章在回顾海洋微型生物与碳循环相关研究基础上,系统总结并讨论了MCP理论提出以来中国在此领域的国际引领地位和影响力,并展望了未来研究的方向.

热力学碳泵:角色、模型与案例分析

制约碳捕集技术发展的瓶颈之一在于能耗过高,而现有碳捕集能效分析的方法论与适用模型并未从能源转换的共性机制层面揭示碳捕集理论能耗的"天花板"。因此,也较难像热力学经典概念热机、热泵及其衍生研究框架一样,从"理想与现实之间的不可逆性"这一思考原点出发,探索节能降耗的新机制与新途径。从碳捕集中能源转换的普遍特性出发,提出了热力学碳泵这一概念,首先对其在既有碳捕集研究体系中的辅助角色进行了论述,其后建立了基于热力学观点的模型并展开案例分析,最后与既有混合气体分离模型进行了异同讨论,阐述了两者的互补性。对热力学在面向新型工业应用情景下的能效分析进行了可供参考的尝试。

喀斯特地表水生生态系统生物碳泵的碳汇和水环境改善效应

碳汇研究是全球碳循环研究的重要内容.近年来,陆地水生生态系统的碳汇日益受到重视,被认为是"遗失碳汇"的重要组成部分.最新研究发现,碳酸盐风化碳汇占岩石风化碳汇的94%,因此,喀斯特地表水生生态系统的碳汇显得尤为重要.生物碳泵效应作为一种稳碳和固碳过程,是形成长期稳定碳酸盐风化碳汇的重要机制,是碳循环的重要环节.生物碳泵效应的核心控制元素是碳元素,该效应在富含溶解无机碳(DIC)的喀斯特地表水生生态系统中发挥着重要作用.目前生物碳泵效应的研究主要集中在两个方面:(1)内外源有机碳的区分是准确评价和计算生物碳泵效应碳汇的关键;(2)发现生物碳泵效应影响水环境指标和水质状况.未来,一方面应精确地对陆地水生生态系统碳汇量进行估算,研究不同气候和土地利用对碳汇量的影响;另一方面,揭示生物碳泵效应与水环境的相互作用机制.重点包括以下4个方面:(1)验证地表水生生态系统"元素比值控制假说";(2)生物碳泵效应对水体元素化学计量比的调控潜力;(3)形成不同碳汇机制(生物碳泵效应和富营养化机制)的根本原因;(4)生物碳泵效应通过物理-化学-生物耦合作用改善水环境的可能机制.最后,探究微生物碳泵效应应用于陆地水生生态系统的可能性.

岩溶区水生生态系统微藻的生物碳泵效应

微藻在水生生态系统的碳固定中扮演重要角色。本文综述了岩溶区水生生态系统生物碳泵的提出、岩溶区微藻生物碳泵作用、影响微藻固碳的主要环境因素以及岩溶区微藻固碳的研究进展,并提出了亟待解决的关键科学问题,为深入研究岩溶区水生生态系统微藻固碳能力及生物碳泵机制、科学认识岩溶生态系统的碳汇潜力、丰富和完善岩溶碳循环理论提供参考。

模拟“微型生物碳泵”对南海储碳的贡献

海洋中最重要的两种生物储碳机制,包括生物泵和微型生物碳泵,其中后者在中国海中的定量估算和模拟的相关研究还未见报道.文章以南海为研究区域,构建了一个包含MCP过程的物理-生态系统耦合海洋模型.模型结果显示,南海整体平均的MCP储碳率为1.55mg C m^(-2)d^(-1);如果取1000m深的颗粒物输出通量作为BP的估计,模型估算的MCP:BP比例约为1:6.08.在此基础上,用该模型预测未来南海海表增温2个典型场景下南海生态系统,特别是MCP和BP储碳过程的响应.模拟结果表明,增强的海表层化会造成输入表层的营养盐减少,进而导致硅藻生物量和生产力的降低,最终抑制BP的储碳率.然而,在这些场景下,由于超微型浮游生物的生产力增加,反而有利于细菌活动,部分补偿生产力的降低,造成MCP对于全球变暖的响应具有非线性的特征.总体而言, MCP:BP比例在两个场景下都有所增加,特别是在4℃增暖的场景下增加至1:5.95,表明在全球变暖的大背景下,未来海洋中MCP碳储的重要性将更加突出.

铁施肥促进海洋浮游植物和生物碳泵的不确定性

铁作为浮游植物所必需的微量元素,限制了全球超过三分之一海域的初级生产力,尤其是在高营养盐、低叶绿素海域(high nutrient low chlorophyll,HNLC)。长期以来海洋铁施肥被认为是一项可以降低大气二氧化碳含量的地球工程策略。然而通过13次海洋人工铁施肥(artificial ocean iron fertilization,aOIF)实验发现,铁的额外添加对海洋深层碳输出量的促进作用要显著低于预期。本文简要地总结了碳在海洋和大气中的循环过程,回顾了人工铁施肥实验对生物碳泵和碳通量等的影响,分析了从海洋铁施肥到海洋碳汇关键生物地球化学过程的影响因素。综上分析发现,科学界对生物碳泵过程及其调控机制的认识仍十分浅薄,考虑到海洋铁施肥还会对海洋生态系统带来一定的负面作用,铁施肥能否作为降低大气中CO_(2)的有效手段,以达到碳中和并缓解温室效应仍需进一步研究。

吸附碳泵循环构建与能耗分析:从热力学角度

从热力学角度审视制约吸附法碳捕集技术推广和工业化应用的能耗问题,其实质是对捕集过程中能量在不同形式之间转换机制的深入认识问题.应用热力学中的"循环"这一成熟概念和衍生工具,对能量转换问题展开专题分析应是恰当的。本文基于热力学碳泵概念,从热力学角度进行吸附碳泵循环的构建与能耗分析,将碳捕集能耗分析模型具化至循环层面。从热力学第一定律角度,基于无限碳源、汇假设,定义工作于碳源、汇之间的吸附碳泵循环,形成抽象模型求解理想功耗及循环COPCO2,与混合气体分离模型(MGS)分析结果进行对比,并分析关键循环参数的影响;从热力学第二定律角度,基于状态点过程解耦方法"白箱化"吸附碳泵循环中具体过程,形成具体模型分析循环中熵增、熵产机制,证实优化传热过程、提升吸附剂性能作为有效降低能耗策略在热力学层面的恰当性。

白垩纪-古近纪生物大灭绝后海洋生物碳泵的破坏与恢复

终结恐龙时代的白垩纪-古近纪(K-Pg)界线事件发生在6600万年前,由于小行星撞击,地球生态环境发生剧变,导致海洋和陆地生物的大规模灭绝,当时海洋里占据绝对优势地位的初级生产者——颗石藻的灭绝尤为严重.初级生产者是食物链的基础,了解海洋初级生产力在极端环境下的破坏与灾后恢复过程,对于研究当今全球变化下海洋生物碳泵变化及其控制机制具有重要的借鉴意义.本文比较了前人提出的劫难海洋(strangelove ocean)、活跃海洋(living ocean)、弹性海洋(resilient ocean)以及异质海洋(heterogeneous ocean)四个假说,评述每个假说在解释K-Pg事件后海洋生物碳泵如何运行方面的合理性与不足.综合分析全球海盆既有高精度旋回控制、又有表层-深海δ^(13)C垂向梯度的多个站点的数据,以探索K-Pg界线事件后全球海洋生物碳泵效率的变化,指出:(1)K-Pg事件前所有洋盆δ^(13)C垂向梯度与现代海洋一致,这个梯度从陆架到深海有逐渐增加的趋势;(2)K-Pg事件后全球海洋δ^(13)C垂向梯度消失;(3)K-Pg事件后δ^(13)C垂向梯度消失主要是由于海洋表层δ^(13)C突然负偏,其负偏幅度随着从陆架到深海逐渐减小.K-Pg事件后主要初级生产者从较大的颗石藻转变为较小的微型浮游生物,由于真光层中微生物碳泵的作用,更多难降解的惰性溶解有机碳能够下沉到海底,生物碳泵的效率得以维持在一定的水平.微型生物主导的生物碳泵效率不如颗石藻主导的高,但其长期运行能从海洋表层中去除足够的营养盐和有害物质,不仅为更高营养级生物提供食物来源,而且改善K-Pg事件后恶化的海洋物理化学环境,为整个海洋生态系统的恢复和发展铺平道路.关键海洋初级生产者的变换及其控制因素是深时碳循环领域未来需要重点研究的科学问题,而K-Pg事件后生物碳泵表现出的区域或全球变化模式,有助于了解不同海洋生态系统在极端环境压力下如何运作,为人类更好地理解和预测当前快速的全球变化对不同海洋生态系统的影响提供借鉴.