近年來，由德國馬克斯·普朗克化學研究所主導的國際研究團隊借助OceanPack走航式海洋表層多要素測量系統，第一次實現了從北極圈（67°N）至赤道（3°N）的表層海水與大氣微生物同步采樣。此次研究揭示了表層海水微生物群落的緯度多樣性梯度、海-氣微生物選擇性交換規律及陸源氣團對微生物組成的影響。

研究背景

海洋覆蓋地球表面積的71%，是最大的活躍生態系統。海洋與大氣之間持續進行微生物交換，生物氣溶膠可占全球大氣氣溶膠總質量的25%，對云、降水和輻射平衡具有重要影響。然而，開闊大洋上空的微生物研究嚴重滯后，主要原因在于：航次成本高、采樣難度大；海洋大氣中微生物濃度極低（僅為陸地的1/10~1/100），易受污染；傳統離散式海水采樣無法在長航程中連續記錄環境參數，也難以與大氣采樣同步。

表層海水是海-氣交換的直接界面，研究其微生物群落需要實現長航程自動采樣、實時記錄溫鹽等關鍵因子、與大氣采樣器精確配對，并提供高質量水樣用于DNA分析。德國SubCtech公司的OceanPack走航式海洋表層多要素測量系統（圖1）正是為此而生。該設備能自動連續抽取水深3~5米的表層水，并集成傳感器實時監測溫鹽、葉綠素、溶解氧等參數，還配有水樣留存單元。其模塊化、防污染、低功耗的設計，已成為國際航次的標準配置。

此次將其與大氣微生物同步采樣相結合，沿超長緯度斷面研究海-氣連通性，尚屬第一次。

圖1 德國SubCtech公司的OceanPack走航式海洋表層多要素測量系統

研究過程

研究團隊于2020年6月至2021年5月，沿著20°W經線從67°N（北極圈）至3°N（赤道）開展采樣（圖2）。核心設備OceanPack安裝于船舶通海接口，進水深度約3米，實現了以下功能：

1.連續記錄：葉綠素a熒光、海表溫度、鹽度、溶解氧濃度；

2.自動水樣采集：為微生物DNA分析和細胞計數提供標準化的表層海水樣品；

3.與大氣采樣同步：配合氣旋式空氣采樣器，形成海-氣配對數據。

同時在每個站點收集大氣微生物、氣溶膠粒子濃度、氣象參數及后向軌跡數據，構建了迄今為止分辨率最高的北大西洋海-氣微生物生態數據集。

圖2 北大西洋低層大氣與表層海水微生物群落的多樣性

實驗結果

1.表層海水微生物群落呈現顯著緯度梯度

OceanPack提供的連續溫度、溶解氧、葉綠素數據與微生物16S rRNA測序結果結合分析顯示：微生物豐富度與香農多樣性指數隨緯度降低（向赤道）顯著升高（Spearman ρ < -0.75，p < 0.0001）；葉綠素a熒光峰值與某些菌群（如Synechococcus、Prochlorococcus）的相對豐度呈正相關（圖3）。

圖3 大氣與表層海水微生物α和β多樣性沿緯度梯度的變化

2. 海-氣微生物群落結構截然不同

對比OceanPack采集的表層海水樣品與同步大氣樣品：海水微生物α多樣性顯著高于空氣；空氣微生物β多樣性（區域間差異）遠大于海水（圖3B、D）；90%的微生物序列變體僅存在于單一生物群系中，說明海-氣微生物交換具有強選擇性。

3. 氣團來源影響海洋表層群落

利用后向軌跡將采樣點劃分為海洋背景、陸地背景及混合背景三類：受陸地氣團影響時，表層海水中的Firmicutes（厚壁菌門）、Actinobacteriota（放線菌門）等豐度顯著升高（圖4，圖5）；OceanPack同步記錄的鹽度、溫度等參數幫助排除了局地水文變化對結果的干擾。

圖4 采樣氣團來源與氣溶膠粒子濃度

圖5 不同氣團背景下空氣與海水微生物群落結構

4. 某些海洋菌群易于氣溶膠化

在海水和空氣中均高豐度出現的菌屬（如Synechococcus、SAR11）提示其具有較高的海-氣交換效率，而Prochlorococcus在空氣中顯著減少（圖6），表明不同微生物在界面處的傳輸能力存在固有差異。

圖6 海洋與大氣之間微生物類群的選擇性交換示意圖

研究結論

本研究證實：

（1）北大西洋表層海水微生物多樣性沿緯度梯度向赤道方向增加，與溫度、溶解氧等環境因子高度相關；

（2）海洋與大氣微生物群落存在本質差異，且交換具有類群選擇性；

（3）陸地來源的氣團可顯著影響開闊大洋的表層微生物組成，可能通過營養鹽輸入或直接沉降微生物細胞實現。

OceanPack在此次研究中展現了優秀的長航程、低維護、多參數同步監測能力，為揭示海洋表層微生物群落的宏觀生態格局及其與大氣之間的動態交換機制提供了不可替代的技術支撐。

參考文獻

1. Hrabe de Angelis, I., Ruff, S. E., P?hlker, C., et al. Latitudinal diversity gradients and selective microbial exchange at the Atlantic ocean-air interface. bioRxiv (2026).