近日，厦门大学海洋生物地球化学全国重点实验室、海洋与地球学院沈渊教授以“Special delivery of proteinaceous matter to deep-sea microbes”为题，在Science Advances发表最新研究进展。该研究证明了深海溶解有机碳库并非完全生物惰性，其中存在着可被微生物利用的新鲜蛋白类有机质，并提出浮游动物的垂向迁移驱动了活性有机质向深海输运，为深海微生物提供了一个高效的“快递补给”途径。
长期以来，深海溶解有机碳（DOC）被认为是一个循环缓慢、存留时间长达数千年的惰性碳库，极难被微生物利用。近年不断累积的放射性碳同位素（14C）数据显示，深海DOC的14C年龄呈现一定的时空差异性，暗示其中可能含有更年轻的有机组分，并推测可能成为深海微生物的重要能量来源。然而，这一推测一直缺乏直接证据。为验证这一推测，研究团队在大西洋百慕大时间序列站（BATS）开展了生物培养实验并进行了14C分析以及化学组分表征。
研究团队从总DOC中分别富集了高分子量（HMW；> 2.5 kDa）DOC以及HMW氨基酸组分，发现总DOC与HMW DOC的14C年龄随深度增加而显著老化，深海DOC的14C年龄约为4000年。然而，HMW氨基酸组分14C年龄从中层（940 ± 100 ybp）至深层（1170 ± 140 ybp）却并无显著变化，表明深海DOC库中存在更年轻、富含蛋白类化合物的有机质。
通过微生物降解实验（7-390天），发现总DOC与HMW DOC的微生物可利用性随深度增加显著下降。然而，HMW氨基酸组分在深海中的微生物可利用性却显著高于中层海洋值，且大部分的降解发生在一周内，属于“易降解”类别。这一发现表明，尽管深海DOC碳库整体呈现降解惰性，但其中仍存在一部分不易察觉的、新鲜且易降解的蛋白类有机质，可作为深海微生物的重要能量来源。
图1. BATS站点不同深度溶解有机组分的14C年龄（A）及其微生物降解率（B）
那么，深海新鲜有机质来源何处？研究团队分析了深海高分子量蛋白质类物质的化学组成，发现这些物质与表层浮游动植物的成分高度相似（图2），很可能来自上层新鲜沉降颗粒物。但尽管如此，颗粒物的被动沉降似乎也无法解释HMW氨基酸组分的14C年龄与降解程度的非线性垂向分布规律（即随水深增加先下降后增加），因为颗粒物在沉降过程中会逐步溶解或降解，呈现单调递减趋势。因此，深海的新鲜蛋白类物质补给并不是简单依赖于颗粒物的被动沉降，而是存在一种主动的递送机制，能够在中层水体向深海快速提供新鲜有机质。而最有可能驱动该机制的是：从表层向中层海洋垂向迁徙的浮游动物。
图2. BATS站不同来源有机质的氨基酸组分对比分析
团队回溯了调查期间上层海洋的生物群落结构信息，发现这一时期恰逢春季藻华之后的浮游动物高峰期，并且由大型浮游动物（>1000 µm）占主导。浮游动物通常在夜间上浮至表层海洋觅食，白天返回中深层。在这一过程中，它们通过粪便排泄、直接释放溶解有机质、以及颗粒有机质的重新打包等方式，主动向深海输送富含蛋白类化合物的活性有机质，从而为深海生态系统的代谢活动提供重要的能量补给（图3）。
该研究结果揭示了深海DOC库并非一个静态、长期惰性的老化有机碳库，而是包含更年轻、易降解有机成分的动态碳库，且存在多样化的有机质补给途径。这一发现挑战了传统的深海DOC惰性观点，并强调了浮游动物在深海碳循环以及微生物新陈代谢中的重要作用。
图3. 浮游动物垂向迁徙介导的深海活性有机质补给示意图
该论文的第一作者兼共同通讯作者为厦门大学沈渊教授，共同作者还包括美国南卡罗莱纳大学Ronald Benner教授、加州大学圣克鲁兹分校Matthew McCarthy教授和Taylor Broek博士、加州大学尔湾分校Brett Walker副教授。该研究获得国家自然科学基金青年科学基金项目（B类）、创新研究群体项目，以及“111”计划的联合资助。
Shen Y.*, Benner R.*, Broek T., Walker B., McCarthy M. 2025. Special delivery of proteinaceous matter to deep-sea microbes. Science Advances,11,eadr0736
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr0736
供稿｜沈渊课题组
编辑｜朱佳 苏颖
排版｜陈蕾
审核｜唐甜甜 柳欣
