近日，中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室宋金明团队联合德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心（GEOMAR），在地学领域TOP期刊Limnology and Oceanography发表最新研究成果，揭示了氨基糖单体碳同位素在异养细菌、浮游植物以及在有机质降解过程中的变化特征，并探讨了其对有机质异养转化的指示作用。
海洋有机质是海洋中最大的还原性碳储库，其在全球碳循环中扮演着非常重要的角色。海洋有机质中有一小部分（<10%）可在短时间尺度内（小时到天）被微生物快速利用，称为活性有机质。尽管活性有机质占比很小，但其在支撑微食物网、驱动元素循环方面发挥着重要作用。此外，活性有机质的降解转化与大气二氧化碳紧密相连，因此探究海洋有机质的活性及周转过程对于理解海洋储碳及碳循环机制至关重要。传统上，通常基于有机分子（如氨基糖）丰度或构成评估有机质的生物活性。然而，此方法难以精细地刻画有机质的异养代谢过程。近年来单体同位素分析技术的发展为解决这一问题提供了有力工具。相比于总有机质（Bulk）同位素分析，单体同位素直接反映某一特定分子的同位素特征，从而能够避免选择性降解和多种化合物来源对bulk同位素值的影响。但到目前为止，对有机质重要组分氨基糖的单体同位素特征依然未知。
本研究通过室内纯培养实验，测定了四种异养细菌以及四种浮游植物中的氨基糖单体碳同位素值。在此基础上，进一步通过模拟微生物降解实验，探究了在由活性有机质转变为惰性有机质的过程中，氨基糖单体碳同位素的变化机制。研究发现，异养细菌中葡萄糖胺（GlcN）和半乳糖胺（GalN）的碳同位素值较为接近，相差0.4‰到4‰，而浮游植物中两者则差异较大（4.3-16.6‰）。这一结果显示异养细菌可能具有相似的葡萄糖胺和半乳糖胺合成机制，而浮游植物对两者的合成可能通过不同的路径。相对葡萄糖胺和半乳糖胺，细菌在其特异性氨基糖胞壁酸（MurA）的合成中则优先利用轻的碳同位素（12C）。
微生物降解实验结果显示，葡萄糖胺与半乳糖胺的碳同位素差值由降解初期的5.8‰降低到了降解末期的1‰。这一变化与藻类和菌类的纯培养结果相一致。在降解初期，细菌快速消耗活性有机质并将一部分活性有机质转化为细菌有机质。而在降解后期，由于活性碳源消耗殆尽，细菌可能通过再循环利用分子碎片以节省能量消耗。
基于氨基糖单体碳同位素在细菌和藻类中的分布模式以及在有机质降解过程中的变化特征，本研究提出了一个新指标VAS，以反映氨基糖的细菌再合成。通过对外海颗粒物及沉积物样品的分析，发现这一指标相较于传统氨基糖降解指标GlcN/GalN能够更加精细地反映有机质的降解状态，从而为更加准确地探析海洋有机质细菌改造和转化提供了另一有力工具。
论文第一作者为郭金强博士（目前在德国亥姆霍兹海洋研究中心从事博士后研究），宋金明、袁华茂研究员为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院A类先导专项、山东省自然科学基金等项目联合资助。
相关论文及链接如下：
Guo, J. Q., Achterberg, E. P., Shen, Y., Yuan, H. M. *, Song, J. M.*, Liu, J., Li, X. G., and Duan, L. Q. (2023). Stable carbon isotopic composition of amino sugars in heterotrophic bacteria and phytoplankton: Implications for assessment of marine organic matter degradation. Limnology and Oceanography.
https://doi.org/10.1002/lno.12468.
