原文来源：Borer B, Subhas A V, Hayden M G,et al., 2026. Microbially enhanced dissolution of calcite in sinking marine particles. PNAS, 123 , e2510025123.
https://doi.org/10.1073/pnas.2510025123.
科学背景与问题
碳酸钙是海洋生物产生的关键矿物，海洋在地质时间尺度上通过碳酸钙的转化来调节大气中的二氧化碳，其形成与溶解过程深刻影响海洋对大气二氧化碳的吸收能力。碳酸钙的沉降不仅促进有机碳的“压舱”效应，还通过碱度调节海洋的缓冲能力。传统观点认为，碳酸钙只有在饱和度Ω < 1（即不饱和状态）时才会溶解，而这一条件通常出现在深海（饱和层以下）。然而大量观测结果表明，在表层海水中（Ω > 3）即有大量碳酸钙快速溶解，这一现象被称为“浅层溶解悖论”。现阶段仍然缺乏对海洋碳通量计算的机制性理解。已有研究提出，微生物活动、浮游动物消化道、海洋雪颗粒内部可能形成酸性微环境，从而驱动碳酸钙溶解来影响海洋碳循环。然而，颗粒内部的微生物代谢如何影响碳酸钙溶解过程？这种微生物代谢活动是否足以驱动碳酸钙溶解？其沉降速度与碳源类型如何调控这一过程？亟待验证。
科学内涵
该研究通过构建室内模拟体系，发现微生物代谢显著降低颗粒内部pH（图1），接种细菌后，颗粒内部pH从7.95降至7.3，Ω从3.4降至0.91，达到热力学溶解条件。无菌对照颗粒中pH和Ω保持稳定。该研究量化了海洋颗粒中的微生物活动如何创造酸性微环境，从而在整体水体过饱和的条件下，增强局部方解石的溶解。
图1 Alteromonas macleodii对pH值的调节的实验模拟图
（A）层状微流控装置的概念图；（B）接种细菌的完整方解石颗粒在培养18小时后的图像；（C）在培养管中于30°C培养24小时后，A. macleodii在不同碳源供给条件下对整体pH值的影响。
微生物添加条件下，碳酸钙溶解速率在相同整体饱和度下，比非生物条件下溶解速率高出十倍以上（图2），说明颗粒内部的微环境异质性（如细菌菌落周围的局部酸性）是驱动溶解的关键。该发现凸显了海洋颗粒中微生物活动对海洋碳酸盐预算及其在碳储存中作用的重要性。
图2 利用非侵入式荧光探针定量分析颗粒内部pH值与氧气饱和度
（A）接种细菌与无菌颗粒的pH值随时间的空间分布图；（B）接种细菌与无菌颗粒的pH值和氧气饱和度随时间变化的定量分析；（C）接种细菌与无菌条件下氧气饱和度与实测pH值之间的关系；（D）利用实测颗粒内部pH值及人工海水总碱度，并根据氧气消耗计算得到的颗粒内部溶解无机碳（DIC）和总碱度（TA），计算得出的方解石饱和状态（紫色圆点）；（E）计算所得饱和状态与溶解速率之间的关系。
该研究还发现最高的颗粒相关溶解速率出现在中等沉降速度下（图3），表明沉降引起的质量传输增强与细菌呼吸之间的平衡决定了随后的溶解速率。此外，微生物利用的碳源类型影响显著（图3）：葡萄糖（糖酵解）促进酸性代谢产物，驱动碳酸钙溶解；柠檬酸（糖异生）在低速条件下几乎不促进碳酸钙溶解；说明微生物的代谢路径决定了海洋沉降颗粒内部酸碱度的化学变化。
图3 碳酸钙溶解速率与方解石总溶解量
（A）不同沉降速率下，溶解速率随时间变化的箱线图；（B）实验结束时初始碳酸钙的溶解百分比；（C）在设定的沉降速率下到达1000米深度时初始碳酸钙的溶解百分比。（3）沉降速度调控溶解强度（图3），中等沉降速度（10 m/d）下碳酸钙溶解最强；慢速（5 m/d）受限于营养供给；快速（50 m/d）则因酸性产物被快速冲刷而抑制溶解。这一“最优沉降速度”揭示了微生物生长与物质交换之间的权衡。
将室内的实验结果应用到海洋的水柱中的模拟研究表明，海洋颗粒中微生物驱动的不饱和状态可能在中深层海水中溶解足够多的方解石(图4)，通过消除这一重要的压舱矿物来延长颗粒的停留时间，从而降低有机碳封存的效率。
图4 悬浮及沉降颗粒周围的氧气场与物质传输，以及方解石溶解对沉降速率的影响
（A）使用COMSOL计算得到的3毫米颗粒在悬浮状态下或在与实验一致的沉降速率下沉降时的稳态空间氧气浓度分布；（B）使用COMSOL计算得出的溶质向颗粒传输或从颗粒向外传输的变化，作为相对悬浮颗粒的沉降速率的函数；（C）相对沉降速率随溶解方解石量及再矿化作用导致的颗粒直径减小的变化关系。
重要启示
启示1：理论创新。微生物介导的生物地球化学过程深刻影响碳循环的方方面面，前期的传统碳循环模型多忽略颗粒内部的微生物产生的酸性微环境，导致海洋碳汇估算产生较大误差，该研究首次系统证明了微生物代谢在海洋雪颗粒内部形成的酸性微环境，可在饱和海水中驱动方解石溶解，且这一过程受沉降速度与碳源类型共同调控。研究不仅揭示了“浅层溶解悖论”的机制基础，也为重构海洋碳循环模型、评估海洋碳汇潜力提供了关键科学依据。
启示2：方法创新。该研究凸显了微生物模拟研究的重要性，也进一步验证了在宏观科学问题牵引下，合理设计微观实验来验证的重要性。作者构建了微流控海洋沉降颗粒模拟系统，将海洋细菌与¹³C标记的方解石共同封装，控制流体流速模拟不同沉降速度，并实时监测颗粒内部pH、氧气浓度、溶解速率。结合微流控、稳定同位素示踪、荧光传感等实时观测技术，实现了对颗粒内部微观化学环境与溶解动力学的同步观测，为未来研究颗粒尺度生物地球化学过程提供了可复制的实验平台。
——解读人：吴耿
——责任编辑：吴耿
