海洋碳匯高分辨率檢測技術綜述和展望

景士杰　陳方帥　郭鑫等

關鍵詞：海洋碳匯;碳中和;惰性溶解有機碳;微型生物;高分辨率檢測技術

中圖分類號：P71;P73;P76 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2022）02-0029-05

0引言

應對全球氣候變化已成為國際共識，其中碳中和是重要抓手。作為負責任的大國，中國明確提出力爭2060年前實現(xiàn)碳中和的具體目標。而中國“兩個全球最大”（最大二氧化碳排放國和最大發(fā)展中國家）的現(xiàn)實使“經濟發(fā)展第一要務”成為主要矛盾，減排勢在必行，而增匯兩全其美。海洋是地球上最大的活躍碳庫，每年可清除30%排放到大氣的二氧化碳，增匯潛力巨大，有望成為保障國民經濟發(fā)展和承擔國際共區(qū)責任的優(yōu)選。

海洋碳匯是指海洋吸收大氣中的二氧化碳，并將其儲存在海洋中的過程、活動和機制。在時間尺度上，相較于森林和草原等陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)十年到數(shù)百年的碳匯儲存周期，海洋碳匯的儲存周期可達數(shù)千年之久[1]，因此海洋碳匯成為目前研究的前沿和熱點?；诘厍蛳到y(tǒng)框架，包括不同海區(qū)的碳收支和模型計算，結論為海洋是大氣二氧化碳的匯，每年從大氣中凈吸收碳約25億t[2]，且正在發(fā)揮越來越重要的作用。

目前海洋碳匯研究主要集中在“看得見摸得著”的紅樹林和海草床等“海岸帶藍碳”。然而就碳匯量級而言，“海岸帶藍碳”的貢獻難以應對氣候變化以及碳中和目標的實現(xiàn)，其關鍵價值更在于生態(tài)系統(tǒng)服務功能[3]。除“海岸帶藍碳”外，海水中還有個巨大的惰性溶解有機碳庫（RDOCPool），其碳儲存量約為6500億t[4]，增匯潛力巨大。在理論到實際應用的過程中，首先應確認其可測量、可報告和可核查（MRV）屬性，包括所需的技術手段和參照規(guī)范。因此，遴選和研發(fā)針對RDOC特征和MRV屬性的適應性方法迫在眉睫。

本研究從目前具有“指紋特征”的生物和化學檢測技術入手，選取相對成熟且有望應用于海洋碳匯特征標志的高分辨率檢測技術進行綜述和展望。

1流式細胞和功能基因芯片生物檢測技術

有研究結果表明，海洋惰性溶解有機碳來源于微型生物活動[5]，因此具備快速表征微型生物群落特征的檢測技術具有重要應用前景。海洋微型生物具有個體微小、數(shù)量巨大、種類繁多和代謝過程多樣等特點，常聚集成復雜群落共同發(fā)揮作用，且絕大多數(shù)不可培養(yǎng)[6]。目前分子生物學16SrRNA基因測序技術已普遍應用，且在分析微型生物群落的種類和數(shù)量中發(fā)揮重要作用，但其測序結果并不能很好地切合碳中和檢測的需求。用于檢測環(huán)境生物樣本的流式細胞技術和基因芯片技術為解析海洋微型生物的群落格局、相互作用和生態(tài)學效應提供新的選擇。其中，流式細胞儀具有靈敏度高、精確度高、通量高、參數(shù)多、分析速度快和具備細胞分選功能的特性，并在新算法的支持下可實現(xiàn)功能群的區(qū)分;基因芯片則通過合理的序列設計和數(shù)據庫建設，可高效、便捷、低成本和有針對性地檢測環(huán)境中的特定基因序列，包括碳代謝基因。

1.1流式細胞技術及其擴展應用

20世紀80年代流式細胞技術（FCM）開始應用于海洋微型生物研究。1988年船載流式細胞儀的應用促使原綠球藻的重大發(fā)現(xiàn)[7]。流式細胞技術可在單細胞水平對細胞的物理、生物和化學特性進行多參數(shù)定量分析和分選，其以激光為光源，激發(fā)并獲取樣品中的細胞或微粒所產生的不同程度的熒光和散射光信號，同時選用差異化的熒光染料標記樣品，用來檢測和區(qū)分不同細胞的生物學特征，如檢測DNA 的綠色熒光染料SYBRGreen Ⅰ、檢測呼吸鏈活性的染料CTC、檢測細胞膜完整性的紅色熒光染料PI以及檢測蛋白含量的染料FITC。流式細胞技術的多參數(shù)分析為微型生物群落提供獨特的指紋標記，以流式細胞技術為基礎的快速定量技術為深入研究海洋微型生物提供廣闊的應用前景。

流式細胞技術獨特的細胞分選功能可純化細胞且擴展性強，為單細胞測序技術提供有力支撐。例如：通過原位熒光雜交篩選特異細胞，通過細胞特征色素純化不同的功能類群，與基因組分析相結合評估群落穩(wěn)定性。Koch等[8]借助流式細胞技術能夠快速分析和監(jiān)測微型生物群落動態(tài)變化的功能，實現(xiàn)對微型生物群落結構和亞群落功能的分析;Liu等[9]借助流式細胞技術能夠對樣品進行細胞分選的功能，對比16SrRNA 基因分析結果，實現(xiàn)對微型生物群落穩(wěn)定性的快速評估。

當前流式細胞技術已成功應用于廢水、沼氣池、地面水和微生物燃料電池等[8，10]生態(tài)系統(tǒng)的微型生物群落結構表征。通過新算法解析，流式細胞技術能夠從不同環(huán)境樣本中獲得大量的群落特征數(shù)據，快速檢測微型生物群落的高分辨率時間動態(tài)變化過程，并通過定義門的數(shù)量和特征，檢測和評估物種豐富度、群落相似性和穩(wěn)定性及其與非生物參數(shù)的相關性。相較于16S測序技術而言，流式細胞技術的優(yōu)勢在于操作方便、耗時短和成本低，同時可密集監(jiān)測群落動態(tài)的細微變化，如在6h和12h的短期波動中獲取微型生物群落結構的差異，而如此密集的時間分辨率差異很難通過16SrRNA基因測序技術獲取。因此，流式細胞技術具備生物指紋檢測的技術特征，有望被應用于海洋環(huán)境的物種豐富度以及群落組成和穩(wěn)定性監(jiān)測，以高分辨率指紋技術來追蹤并標記特殊微型生物群落，進一步結合其他技術分析該物種的結構、功能和代謝過程，同時作為碳指紋檢測技術實現(xiàn)應用。

1.2功能基因芯片技術及其擴展應用

基因芯片技術是基于分子和基因水平的高分辨率檢測技術，其以基因探針技術為基礎，將數(shù)十萬甚至數(shù)百萬的已知DNA 序列片段有規(guī)律地排列并固定在支持物上，形成二維/三維DNA 探針陣列，并基于結合后的熒光信號進行檢測和分析。功能基因芯片則是利用環(huán)境樣品中的功能基因設計特異性探針，從而提高檢測的精度和效率。例如：針對海洋碳匯設計功能基因芯片，可深入揭示碳匯過程中微型生物的群落結構和代謝功能特征[11]。鑒于微型生物驅動碳循環(huán)過程基因的多樣性和復雜性，亟須建設相對應的數(shù)據庫。gzslib202204012232

美國俄克拉荷馬州大學集中團隊開發(fā)以GeoChip為代表的一系列功能基因芯片產品[12-13]，并廣泛應用于土壤、湖泊和海洋等復雜環(huán)境中微型生物功能基因的檢測和研究[14]。Tu等[13]利用功能基因芯片技術研究長期環(huán)境變暖對俄克拉荷馬州中部地區(qū)土壤微型生物群落的影響，該芯片含有約82000個探針，包括410個與碳、氮和硫循環(huán)相關的功能基因，實現(xiàn)對微型生物群落結構與環(huán)境因素和生態(tài)系統(tǒng)功能的耦合分析。包含十數(shù)萬個甚至更高數(shù)量探針的單功能基因芯片可有效鏈接海洋環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)功能和微型生物群落結構。

由于海洋環(huán)境復雜多變，目前的研究多聚焦于有限的功能基因（如RuBisCO），國際上尚未針對微型生物所驅動的碳匯過程進行深入系統(tǒng)的解析。因此，深入系統(tǒng)解析碳匯鏈條中微型生物代表類群的功能基因，并有針對性地研發(fā)海洋環(huán)境碳循環(huán)功能基因芯片，有望作為高分辨率基因芯片碳指紋圖譜而在海洋碳匯研究中發(fā)揮重要作用。

2高分辨率光譜和質譜化學檢測技術

海洋溶解有機碳是目前海洋研究的熱點，前期研究主要聚焦于其組成和性質、遷移和轉化、源匯格局及其生物地球化學調控機制。溶解有機碳在海洋碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用，尤其是微型生物產生的惰性溶解有機碳分子。目前惰性溶解有機碳的表征手段主要包括光譜分析技術和質譜技術。光譜分析是通過測定有機質的發(fā)色團和熒光團等參數(shù)，簡便、快捷和靈敏地獲取多個有機碳特征指標，以表征其整體特性;傅里葉變換-離子回旋共振質譜實現(xiàn)對溶解有機碳的超高分辨率分子組成解析，高通量和高精度地揭示不同環(huán)境中溶解有機碳化學的共性和差異性。

2.1光譜分析技術及其擴展應用

光譜特征是溶解有機碳的重要特征，光譜分析是近年來迅速發(fā)展的表征海洋溶解有機碳的手段，包括紫外-可見吸光光譜和熒光光譜2個部分。其中，紫外-可見吸光光譜可測定有色溶解有機質（CDOM）的發(fā)色團，這是海洋光學遙感研究中的重要參數(shù);熒光光譜利用水體的激發(fā)光譜和散射光譜對水體進行分析，特征性識別不同來源的有機分子，通過熒光強度確定類腐殖質和類蛋白質等有機分子組分的濃度變化，其與錨系浮標、水下滑翔機和Bio-Argo浮標上的光學探頭搭載，可實現(xiàn)對熒光溶解有機質（FDOM）的高分辨率現(xiàn)場實時監(jiān)測[15]。

光譜分析可獲取CDOM和FDOM的表觀豐度以及一系列定性和定量信息，如相對分子質量、芳香度、腐殖化程度和微生物活性。近年來光譜分析技術又被擴展應用于膠體、顆粒有機質（POM）和沉積有機質（SOM）的表征領域，利用光譜分析手段同步表征海洋環(huán)境中不同形態(tài)有機質的豐度和性質變化，可推動海洋有機質生物地球化學過程的研究進程[16]。光譜分析技術具有簡單、快速和靈敏的特性，實現(xiàn)在較短時間內對大量海洋溶解有機質樣品的分析和測定，可獲取多個結果穩(wěn)定的有機碳特征指標，尤其適用于快速檢測有機碳分子的轉化過程。經算法優(yōu)化后，光譜分析技術可應用于遙感成像和遙感反演，實現(xiàn)對海區(qū)的實時監(jiān)測和長期跟蹤監(jiān)測，進一步結合溫度、營養(yǎng)鹽和堿度等重要環(huán)境要素，成為具備高分辨率特征的海洋碳循環(huán)科學研究技術手段。

2.2傅里葉變換-離子回旋共振質譜技術及其擴展應用

1974年傅里葉變換-離子回旋共振質譜（FTICRMS）開始應用于化合物的鑒定，結合電噴霧技術（ESI），可高通量地表征分子量范圍為200～1000Da的離子型化合物，其質荷比分辨率可達10-5，實現(xiàn)精確化學式判定。高分辨率質譜檢測海水有機物的化學分子組成，為有機碳檢測提供獨特的化學分子碳指紋特征，為深入解析有機碳分子的結構信息提供技術支撐?；诟叻直媛寿|譜獲取的化學分子組成的高通量數(shù)據，能夠定性和定量地表征溶解有機碳的惰性成分，并獲取等價雙鍵數(shù)（DBE）[17]和芳香性指數(shù)（AI）[18]等碳降解的相關指標。

目 前高分辨率質譜已成功應用于部分生態(tài)環(huán)境的有機碳組成研究，從南、北極凍土冰芯內容物到溫熱帶河流森林腐殖質組分均有相應的研究成果和數(shù)據庫，在海洋樣品的收集和檢測解析方面的方法和手段亦初步建立[19]。因此，高分辨率質譜具備高分辨率表征有機碳結構和分子特性的技術特征，通過現(xiàn)有環(huán)境分子的質譜數(shù)據庫以及構建基于我國水域特征的質譜數(shù)據庫，可獲取不同空間的環(huán)境有機碳分子特征，有望作為化學碳指紋進行溯源和追蹤分析。

3穩(wěn)定碳同位素標記技術鏈接生物群落和化學特征

上文梳理生物和化學層面有望用于海洋碳匯特征標定的高分辨率技術，但微型生物活動和化學代謝產物之間的關聯(lián)性同樣是高分辨率信息提取的核心特征?，F(xiàn)有的生物信息分析技術可為二者建立相關性，但“相關”不等同于“因果”。因此，建立生物溯源和化學檢測的鏈接技術尤為重要[20]。

可同時標記生物體DNA 和代謝產物的穩(wěn)定同位素標記技術為揭示碳流途徑提供嶄新思路，該技術已在農作物根系、森林和污染區(qū)等[21-22]土壤的微型生物群落研究中應用，結合高通量測序技術，能夠揭示不同變量條件下的特定微型生物群落的活躍物種和相應的代謝通路。

穩(wěn)定碳同位素標記技術通過在培養(yǎng)過程中使用包含穩(wěn)定碳同位素（13C）的底物，令利用該底物的特定微型生物類群的代謝產物和子代DNA 均摻入穩(wěn)定同位素原子。在海洋碳匯研究中，結合穩(wěn)定碳同位素標記技術和高通量測序技術開展時間序列下的培養(yǎng)實驗，可實現(xiàn)對參與碳代謝的異養(yǎng)細菌類群及其相關代謝機制的直接鏈接。進一步結合高分辨率質譜技術，追蹤穩(wěn)定碳同位素標記的代謝產物，有望作為碳指紋技術，實現(xiàn)海洋碳匯中微型生物類群與有機質之間從“相關”到“因果”的突破，示蹤海洋生態(tài)系統(tǒng)中有機碳的轉運和能量傳遞。

4結語