和看不见的微生物、浮游植物相比，相对大型、可见的海洋鱼类，对海洋有机碳循环也具有不可忽视的影响和贡献。这其中，以排泄等方式，海洋鱼类对海洋有机碳的垂向输送进行了非常直观的贡献和干预。之前大量的相关研究都从颗粒有机碳的视角出发，以生物泵的框架来开展鱼粪对海洋有机碳循环的影响。尽管已经有研究指出鱼粪具有高效、快速的溶解有机碳释放潜力，但对鱼粪释放的溶解有机碳的释放比率、溶解有机质的惰性比重等定量信息，关注却非常少。这些定量信息的缺失，使得我们评估大型生物对海洋惰性有机碳库的影响和贡献面临不确定性。
这其中的主要研究难度在于样品的获取。本研究以科技部973计划项目“南海陆坡生态系统动力学与生物资源的可持续利用”为依托，与中国科学院南海水产研究所、中国科学院海洋所等相关团队合作，在南海陆坡现场获取了典型样品，并由此开展了相关研究(Zhu et al. 2023)。
本研究选取南海陆坡为研究区域。南海陆坡具有显著的初级生产力季节性差异，前期研究进一步发现中尺度涡等过程会显著影响生产力的季节异常（科研动态| 海洋学院朱卓毅在Acta Oceanologica Sinica发表封面文章，以新技术手段洞悉陆架海生产力的季节特点）。在现场生产为主的支撑下，该区域的表层和深层栖息有大量鱼类，其中不乏深海大洋性中上层鱼类和中层鱼。本研究利用南锋号渔业资源调查船的声学探鱼和拖网便利，于2017年春季夜间在南海陆坡现场40m-50m水深处拖网捕获雨印亚海鲂和鱼眶灯鱼等鱼种。该两类鱼均为南海陆坡的典型栖息鱼种，其中雨印亚海鲂的活动栖息水深200-800m，为深海大洋性中上层鱼类；眶灯鱼则为典型的中层鱼，白天栖息在800m水深躲避天敌，夜晚则上浮到约40m的浅水处摄食。研究团队在南锋号船上现场获取鱼类粪便，并加入深海水开展培养。深海水为现场CTD挂载的niskin采水器采集，海水采样深度为800m，和该两种鱼类的生活下限深度相当。通过设置对照组和实验组，研究团队进行溶解有机碳含量的测定和氨基酸等生标分析，以期获取鱼粪释放溶解有机质的相关定量信息（释放率、惰性比例）。
整个培养实验进行了75天，涵盖暗培养和光培养等不同平行组，并有对照组（不添加鱼粪，仅进行800m海水培养）以量化有机碳变化中鱼粪的添加和贡献（图1）。基于溶解有机碳浓度分析，本研究量化发现该两种鱼粪混合物的溶解有机碳释放率为~40 mg DOC/g faeces，和文献报道的地中海鱼类3 - 34 mg DOC/g faeces的值形成对比。和释放的DOC相比，有38%的DOC坚持到了培养实验末尾，说明在本培养实验的基质环境下，鱼粪释放的溶解有机质的惰性比例是38%。
图1 鱼粪有机质培养流程示意图（a-实验组带鱼粪添加；b-对照组不添加鱼粪；来源：ScienceDirect）
图2 鱼粪溶解有机质培养过程中各类氨基酸指标的变化情况（左列实验组，右列对照组；来源：前7天1st stage为粪-液共存体系，7天后体系经过过滤为纯液体系；图片来源：ScienceDirect）
和对照组相比，鱼粪释放的溶解有机质为非常新鲜的溶解有机质，各类氨基酸指标均指证了这一特性（图2）。以AA C yield为例，鱼粪溶解有机质在培养初期经历了快速的下降，说明其作为活性有机质而被微生物快速利用。其中，光照组的DI经历了快速而显著的下降，与光照期间甘氨酸比重显著增加有关。
图3 蛋白质类氨基酸（蛋氨酸）在培养过程中的含量变化
鱼类肠道是无氧环境，鱼粪有机质具有很强的硫循环改造印记。本研究以含硫的氨基酸，蛋氨酸为例，审视发现该种氨基酸在粪-共存的培养初期水体中含量很高（图3），证明有机硫从粪便中的释放。研究人员认为鱼粪培养的环境造成该有机硫系源自鱼类肠道等厌氧环境里微生物改造和生成的有机硫。由于培养环境是富氧的，这些属于DOS的化合物在培养初期10天内就快速降解，并在之后一直低于检出限，说明鱼粪等肠道无氧环境的溶解有机硫（至少和蛋氨酸相关的蛋白组分），在海水环境中并不稳定，一旦释放，就面临被环境快速转化和移除的命运，时间尺度不超过15天（图3）。与此相对应，对照组全程没有蛋氨酸检出。
除了含量分析，本研究还开展了溶解态氨基酸的网络分析（图4），并以这种方式可视化的呈现氨基酸等典型溶解有机质在有机质降解过程中的内部网络关系。藉此从几十种氨基酸（含手性对映体）中梳理出有机质降解过程中最关键、最核心的氨基酸单体（图4）。
图4 鱼粪溶解有机质培养中各氨基酸的网络分析图[a-实验组，b-对照组；红（蓝）点表示培养过程中该氨基酸的mol%下降（增加）且点的尺寸越大则增加（减小）程度越剧烈；红（蓝）线表示链接的两种氨基酸是负（正）相关，虚线（实线）表示该种相关性为p<0.05（p<0.01）水平；图片来源：ScienceDirect]
网络分析以图形的方式突出了以下几点：
1）实验组内部更强、更密集的氨基酸互作网络，这和对照组稀疏的氨基酸互作形成显著差异（图4），说明鱼粪释放的溶解有机质在75天的培养过程中具有很强的内作用，有机质经历了显著的改造历程；而对照组（800m深海水）则在75天之内具有少得多的氨基酸内作用，有机质不活跃。
2）D型氨基酸在培养过程中呈现较为复杂、多样的特点，需要具体每种D型氨基酸具体分析。在本研究中，鱼粪溶解有机质的培养降解实验中D-Arg呈现了相对核心网络格点的特点，但其mol%在培养过程中呈现下降的特点，其他mol%积累的几种D型氨基酸并没有处于网络分析的核心格点（图4a）。在对照组中，只有D-Ser具有mol%增加的特点且同时与其他氨基酸呈现了网络关系，但关系较弱且只与L-arg相关。
3）甘氨酸，分子结构最简单的氨基酸，和其他几乎所有氨基酸均呈现负相关（红线；图4）。该氨基酸随着鱼粪有机质的快速降解，呈现显著的mol%增加的特点，说明该氨基酸对惰性有机质的有效示踪作用（图4a）。这个特点在对照组中同样得到了印证，即使是800m深海水这种惰性溶解有机质为主的有机质基质培养过程中，甘氨酸同样倾向于呈现mol%的相对积累，在不同活性、不同场景下甘氨酸的相对积累对惰性溶解有机质的示踪具有一致性（图4）。
研究团队在南海陆坡鱼粪有机质的降解实验量化了鱼粪释放溶解有机质的效率（40mg DOC/g粪便），且释放的溶解有机质有38%可以坚持到75天暗培养结束。通过对照组和实验组的氨基酸网络可视化分析，甘氨酸在示踪有机质降解上具有更直接、更稳定的表现，在本研究中体现了示踪惰性溶解有机质的良好潜力。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0967063723001875
