海洋碳汇高分辨率检测技术综述和展望

景士杰　陈方帅　郭鑫等

关键词：海洋碳汇;碳中和;惰性溶解有機碳;微型生物;高分辨率检测技术

中图分类号：P71;P73;P76 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2022）02-0029-05

0引言

应对全球气候变化已成为国际共识，其中碳中和是重要抓手。作为负责任的大国，中国明确提出力争2060年前实现碳中和的具体目标。而中国“两个全球最大”（最大二氧化碳排放国和最大发展中国家）的现实使“经济发展第一要务”成为主要矛盾，减排势在必行，而增汇两全其美。海洋是地球上最大的活跃碳库，每年可清除30%排放到大气的二氧化碳，增汇潜力巨大，有望成为保障国民经济发展和承担国际共区责任的优选。

海洋碳汇是指海洋吸收大气中的二氧化碳，并将其储存在海洋中的过程、活动和机制。在时间尺度上，相较于森林和草原等陆地生态系统数十年到数百年的碳汇储存周期，海洋碳汇的储存周期可达数千年之久[1]，因此海洋碳汇成为目前研究的前沿和热点。基于地球系统框架，包括不同海区的碳收支和模型计算，结论为海洋是大气二氧化碳的汇，每年从大气中净吸收碳约25亿t[2]，且正在发挥越来越重要的作用。

目前海洋碳汇研究主要集中在“看得见摸得着”的红树林和海草床等“海岸带蓝碳”。然而就碳汇量级而言，“海岸带蓝碳”的贡献难以应对气候变化以及碳中和目标的实现，其关键价值更在于生态系统服务功能[3]。除“海岸带蓝碳”外，海水中还有个巨大的惰性溶解有机碳库（RDOCPool），其碳储存量约为6500亿t[4]，增汇潜力巨大。在理论到实际应用的过程中，首先应确认其可测量、可报告和可核查（MRV）属性，包括所需的技术手段和参照规范。因此，遴选和研发针对RDOC特征和MRV属性的适应性方法迫在眉睫。

本研究从目前具有“指纹特征”的生物和化学检测技术入手，选取相对成熟且有望应用于海洋碳汇特征标志的高分辨率检测技术进行综述和展望。

1流式细胞和功能基因芯片生物检测技术

有研究结果表明，海洋惰性溶解有机碳来源于微型生物活动[5]，因此具备快速表征微型生物群落特征的检测技术具有重要应用前景。海洋微型生物具有个体微小、数量巨大、种类繁多和代谢过程多样等特点，常聚集成复杂群落共同发挥作用，且绝大多数不可培养[6]。目前分子生物学16SrRNA基因测序技术已普遍应用，且在分析微型生物群落的种类和数量中发挥重要作用，但其测序结果并不能很好地切合碳中和检测的需求。用于检测环境生物样本的流式细胞技术和基因芯片技术为解析海洋微型生物的群落格局、相互作用和生态学效应提供新的选择。其中，流式细胞仪具有灵敏度高、精确度高、通量高、参数多、分析速度快和具备细胞分选功能的特性，并在新算法的支持下可实现功能群的区分;基因芯片则通过合理的序列设计和数据库建设，可高效、便捷、低成本和有针对性地检测环境中的特定基因序列，包括碳代谢基因。

1.1流式细胞技术及其扩展应用

20世纪80年代流式细胞技术（FCM）开始应用于海洋微型生物研究。1988年船载流式细胞仪的应用促使原绿球藻的重大发现[7]。流式细胞技术可在单细胞水平对细胞的物理、生物和化学特性进行多参数定量分析和分选，其以激光为光源，激发并获取样品中的细胞或微粒所产生的不同程度的荧光和散射光信号，同时选用差异化的荧光染料标记样品，用来检测和区分不同细胞的生物学特征，如检测DNA 的绿色荧光染料SYBRGreen Ⅰ、检测呼吸链活性的染料CTC、检测细胞膜完整性的红色荧光染料PI以及检测蛋白含量的染料FITC。流式细胞技术的多参数分析为微型生物群落提供独特的指纹标记，以流式细胞技术为基础的快速定量技术为深入研究海洋微型生物提供广阔的应用前景。

流式细胞技术独特的细胞分选功能可纯化细胞且扩展性强，为单细胞测序技术提供有力支撑。例如：通过原位荧光杂交筛选特异细胞，通过细胞特征色素纯化不同的功能类群，与基因组分析相结合评估群落稳定性。Koch等[8]借助流式细胞技术能够快速分析和监测微型生物群落动态变化的功能，实现对微型生物群落结构和亚群落功能的分析;Liu等[9]借助流式细胞技术能够对样品进行细胞分选的功能，对比16SrRNA 基因分析结果，实现对微型生物群落稳定性的快速评估。

当前流式细胞技术已成功应用于废水、沼气池、地面水和微生物燃料电池等[8，10]生态系统的微型生物群落结构表征。通过新算法解析，流式细胞技术能够从不同环境样本中获得大量的群落特征数据，快速检测微型生物群落的高分辨率时间动态变化过程，并通过定义门的数量和特征，检测和评估物种丰富度、群落相似性和稳定性及其与非生物参数的相关性。相较于16S测序技术而言，流式细胞技术的优势在于操作方便、耗时短和成本低，同时可密集监测群落动态的细微变化，如在6h和12h的短期波动中获取微型生物群落结构的差异，而如此密集的时间分辨率差异很难通过16SrRNA基因测序技术获取。因此，流式细胞技术具备生物指纹检测的技术特征，有望被应用于海洋环境的物种丰富度以及群落组成和稳定性监测，以高分辨率指纹技术来追踪并标记特殊微型生物群落，进一步结合其他技术分析该物种的结构、功能和代谢过程，同时作为碳指纹检测技术实现应用。

1.2功能基因芯片技术及其扩展应用

基因芯片技术是基于分子和基因水平的高分辨率检测技术，其以基因探针技术为基础，将数十万甚至数百万的已知DNA 序列片段有规律地排列并固定在支持物上，形成二维/三维DNA 探针阵列，并基于结合后的荧光信号进行检测和分析。功能基因芯片则是利用环境样品中的功能基因设计特异性探针，从而提高检测的精度和效率。例如：针对海洋碳汇设计功能基因芯片，可深入揭示碳汇过程中微型生物的群落结构和代谢功能特征[11]。鉴于微型生物驱动碳循环过程基因的多样性和复杂性，亟须建设相对应的数据库。gzslib202204012232

美国俄克拉荷马州大学集中团队开发以GeoChip为代表的一系列功能基因芯片产品[12-13]，并广泛应用于土壤、湖泊和海洋等复杂环境中微型生物功能基因的检测和研究[14]。Tu等[13]利用功能基因芯片技术研究长期环境变暖对俄克拉荷马州中部地区土壤微型生物群落的影响，该芯片含有约82000个探针，包括410个与碳、氮和硫循环相关的功能基因，实现对微型生物群落结构与环境因素和生态系统功能的耦合分析。包含十数万个甚至更高数量探针的单功能基因芯片可有效链接海洋环境的生态系统功能和微型生物群落结构。

由于海洋环境复杂多变，目前的研究多聚焦于有限的功能基因（如RuBisCO），国际上尚未针对微型生物所驱动的碳汇过程进行深入系统的解析。因此，深入系统解析碳汇链条中微型生物代表类群的功能基因，并有针对性地研发海洋环境碳循环功能基因芯片，有望作为高分辨率基因芯片碳指纹图谱而在海洋碳汇研究中发挥重要作用。

2高分辨率光谱和质谱化学检测技术

海洋溶解有机碳是目前海洋研究的热点，前期研究主要聚焦于其组成和性质、迁移和转化、源汇格局及其生物地球化学调控机制。溶解有机碳在海洋碳循环中发挥重要作用，尤其是微型生物产生的惰性溶解有机碳分子。目前惰性溶解有机碳的表征手段主要包括光谱分析技术和质谱技术。光谱分析是通过测定有机质的发色团和荧光团等参数，简便、快捷和灵敏地获取多个有机碳特征指标，以表征其整体特性;傅里叶变换-离子回旋共振质谱实现对溶解有机碳的超高分辨率分子组成解析，高通量和高精度地揭示不同环境中溶解有机碳化学的共性和差异性。

2.1光谱分析技术及其扩展应用

光谱特征是溶解有机碳的重要特征，光谱分析是近年来迅速发展的表征海洋溶解有机碳的手段，包括紫外-可见吸光光谱和荧光光谱2个部分。其中，紫外-可见吸光光谱可测定有色溶解有机质（CDOM）的发色团，这是海洋光学遥感研究中的重要参数;荧光光谱利用水体的激发光谱和散射光谱对水体进行分析，特征性识别不同来源的有机分子，通过荧光强度确定类腐殖质和类蛋白质等有机分子组分的浓度变化，其与锚系浮标、水下滑翔机和Bio-Argo浮标上的光学探头搭载，可实现对荧光溶解有机质（FDOM）的高分辨率现场实时监测[15]。

光谱分析可获取CDOM和FDOM的表观丰度以及一系列定性和定量信息，如相对分子质量、芳香度、腐殖化程度和微生物活性。近年来光谱分析技术又被扩展应用于胶体、颗粒有机质（POM）和沉积有机质（SOM）的表征领域，利用光谱分析手段同步表征海洋环境中不同形态有机质的丰度和性质变化，可推动海洋有机质生物地球化学过程的研究进程[16]。光谱分析技术具有简单、快速和灵敏的特性，实现在较短时间内对大量海洋溶解有机质样品的分析和测定，可获取多个结果稳定的有机碳特征指标，尤其适用于快速检测有机碳分子的转化过程。经算法优化后，光谱分析技术可应用于遥感成像和遥感反演，实现对海区的实时监测和长期跟踪监测，进一步结合温度、营养盐和碱度等重要环境要素，成为具备高分辨率特征的海洋碳循环科学研究技术手段。

2.2傅里叶变换-离子回旋共振质谱技术及其扩展应用

1974年傅里叶变换-离子回旋共振质谱（FTICRMS）开始应用于化合物的鉴定，结合电喷雾技术（ESI），可高通量地表征分子量范围为200～1000Da的离子型化合物，其质荷比分辨率可达10-5，实现精确化学式判定。高分辨率质谱检测海水有机物的化学分子组成，为有机碳检测提供独特的化学分子碳指纹特征，为深入解析有机碳分子的结构信息提供技术支撑。基于高分辨率质谱获取的化学分子组成的高通量数据，能够定性和定量地表征溶解有机碳的惰性成分，并获取等价双键数（DBE）[17]和芳香性指数（AI）[18]等碳降解的相关指标。

目 前高分辨率质谱已成功应用于部分生态环境的有机碳组成研究，从南、北极冻土冰芯内容物到温热带河流森林腐殖质组分均有相应的研究成果和数据库，在海洋样品的收集和检测解析方面的方法和手段亦初步建立[19]。因此，高分辨率质谱具备高分辨率表征有机碳结构和分子特性的技术特征，通过现有环境分子的质谱数据库以及构建基于我国水域特征的质谱数据库，可获取不同空间的环境有机碳分子特征，有望作为化学碳指纹进行溯源和追踪分析。

3稳定碳同位素标记技术链接生物群落和化学特征

上文梳理生物和化学层面有望用于海洋碳汇特征标定的高分辨率技术，但微型生物活动和化学代谢产物之间的关联性同样是高分辨率信息提取的核心特征。現有的生物信息分析技术可为二者建立相关性，但“相关”不等同于“因果”。因此，建立生物溯源和化学检测的链接技术尤为重要[20]。

可同时标记生物体DNA 和代谢产物的稳定同位素标记技术为揭示碳流途径提供崭新思路，该技术已在农作物根系、森林和污染区等[21-22]土壤的微型生物群落研究中应用，结合高通量测序技术，能够揭示不同变量条件下的特定微型生物群落的活跃物种和相应的代谢通路。

稳定碳同位素标记技术通过在培养过程中使用包含稳定碳同位素（13C）的底物，令利用该底物的特定微型生物类群的代谢产物和子代DNA 均掺入稳定同位素原子。在海洋碳汇研究中，结合稳定碳同位素标记技术和高通量测序技术开展时间序列下的培养实验，可实现对参与碳代谢的异养细菌类群及其相关代谢机制的直接链接。进一步结合高分辨率质谱技术，追踪稳定碳同位素标记的代谢产物，有望作为碳指纹技术，实现海洋碳汇中微型生物类群与有机质之间从“相关”到“因果”的突破，示踪海洋生态系统中有机碳的转运和能量传递。

4结语