Partial carbon oxidation by iron-limited marine bacteria reshapes oceanic CO2 cycling
这项研究表明，海洋细菌中的铁限制促进了通过乙醛酸循环进行的局部碳氧化，从而使氧气消耗与二氧化碳产生脱钩，进而显著增强了海洋吸收大气二氧化碳的能力。
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海洋是一个巨大的、呼吸着的引擎，有助于调节地球的气候。每年，被称为浮游植物的微型植物通过光合作用从空气中吸收二氧化碳并将其锁定在细胞内。但这个故事并未止于植物。当这些生物死亡或被捕食时，它们的碳会传递给生活在海水中的微小细菌。这些细菌充当着海洋的回收员，分解有机物并将二氧化碳重新释放回水中，随后这些二氧化碳可能会逃逸到大气中。几十年来，科学家们一直通过测量氧气的消耗量来估算这些细菌释放了多少碳，并假设每吸入一口氧气，就会呼出固定比例的二氧化碳。这一假设一直是理解海洋在全球碳循环中作用的基础。然而，这个简单的计算依赖于一个观点，即细菌总是能完全燃烧其食物，将每一部分碳都转化为气体。如果细菌在压力下改变了处理食物的方式，那么这个长期存在的计算可能就是错误的，可能会掩盖气候拼图中一个重要的部分。
一个研究小组发现，海洋中的细菌并不总是能完全燃烧其食物，尤其是在缺铁的情况下。铁是所有生命的重要营养素，但在广大的开阔海洋中，特别是环绕南极洲的南极海域，铁是非常稀缺的。在一系列实验室实验中，科学家们在实验室里培养了海洋细菌，在喂食糖的同时，严格控制了铁的供应量。他们发现，当细菌处于缺铁状态时，它们的行为发生了剧烈变化。虽然它们仍在消耗氧气，但释放的二氧化碳却远低于预期——比那些铁元素充足的细菌释放量少了多达四倍。这是因为缺铁的细菌切换到了另一种代谢途径，即乙醛酸循环（glyoxylate shunt）。这条途径允许它们通过跳过通常会释放碳的步骤来保存碳。它们不再将食物彻底烧成灰烬，而是保留更多的碳，用于构建自身的细胞或以部分分解的形式进行储存。
研究人员将这一发现从实验室带到了开阔的海域，以观察它在现实世界中是否具有意义。在一次穿越南极海域的考察中，他们从七个不同的地点采集了水样，范围涵盖了从富铁区域到贫铁区域。通过测量这些天然样本中细菌消耗的氧气量和产生的二氧化碳量，他们证实了实验室中观察到的模式。在贫铁海域，细菌每消耗单位氧气所释放的二氧化碳更少。数据展示了一个清晰的联系：细菌群落承受的铁压力越大，它们保存碳的能力就越强。这意味着，在南极海域广袤的、受铁限制的区域，细菌返回大气的碳量并不像之前的模型预测的那样多。相反，它们正在留住这些碳，实际上成为了一个比此前理解的更强的碳汇。
为了理解这一发现对全球的影响，科学家们将这种新的行为代入了海洋碳循环的计算机模型中。他们模拟了如果南极海域的细菌频繁使用这种“节省碳”策略会发生什么。结果令人震惊。当模型考虑到这种“部分燃烧”碳的行为时，模拟的海洋在夏季从大气中吸收了显著更多的二氧化碳。这一调整使模型的预测结果与南极海域一个长期监测站所取得的实际测量值更加吻点一致。此前的模型无法解释为什么海洋在夏季吸收了如此多的碳，但通过引入细菌在铁胁迫下保存碳的能力，这种差异消失了。这表明，铁的可用性不仅限制了细菌生长的速度，还从根本上改变了它们处理碳的方式，从而改变了海洋与大气之间的平衡。
这一发现的影响范围超出了仅仅南极海域。细菌用于保存碳的代谢途径分布广泛，并且可以由其他环境压力（如低氧水平）触发。这意味着海洋储存碳的能力可能比科学家此前意识到的那样，对环境条件具有更强的动态性和响应性。通过认识到细菌可以改变其呼吸习惯，研究人员现在可以建立更好的模型来预测海洋将如何应对不断变化的气候。这项研究强调，细菌的微观世界握有理解地球碳循环的强大钥匙，揭示了即使是最小的生物也能重塑全球规模的碳流。海洋作为气候变化缓冲器的能力，可能在很大程度上取决于铁的供应以及其中不可见生命的代谢选择。
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