01 专刊介绍

Green Carbon是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称"青岛能源所"）主办的英文学术期刊，致力于报道绿色与可持续技术领域的前沿交叉成果。

二十载耕耘，薪火相传。恰逢青岛能源所成立20周年之际，Green Carbon第13期（Volume 4, Issue 3）将作为“青岛能源所建所20周年专刊”于2026年9月出版。

本专刊收录20篇主编特邀高水平文章，作者均为长期关心支持青岛能源所发展的战略科学家，以及绿色碳科学相关领域的公认领军专家。专刊涵盖绿碳科学与可持续技术领域的基础科学发现、关键技术创新、系统过程集成，以及标准与政策框架建议等内容，全面呈现该领域的代表进展与未来方向。

衷心感谢所有撰稿人为本专刊贡献前瞻性学术洞见、系统综述与标志性研究成果，以及对青岛能源所与Green Carbon期刊的大力支持！

02 导读

题目：Calcium Carbonate Formation in Coastal Macroalgal Ecosystems via Multiple Pathways

作者：Mingming Yang, Zenghu Zhang*, Xueqing Shi, Yiwen Pan, Xiuzhen Li, Kunxian Tang, Yongyu Zhang*, Nianzhi Jiao*

推送导读：

大型海藻是近海生态系统的主要初级生产者，其有机碳封存能力已形成相对成熟的理论体系，但另一条重要储碳路径——无机碳汇——却长期被忽视。

中国科学院院士、厦门大学焦念志教授团队与中国科学院青岛生物能源与过程研究所张永雨研究员在专刊发表文章"Calcium Carbonate Formation in Coastal Macroalgal Ecosystems via Multiple Pathways"，系统梳理了非钙化大型海藻（如石莼、海带）诱导碳酸钙（CaCO₃）形成的多重驱动路径：光合作用与碳浓缩机制对微环境碳酸盐体系的重塑、藻体表面对成核的促进，以及藻际微生物与海藻的协同作用，进一步完善了大型海藻碳汇理论体系，为全面量化近海海藻碳汇潜力提供了新的科学视角。

本文还配有一篇通俗科普版本，从生活视角解读“大型海藻碳汇”，欢迎关注同期发布的第二篇推送。

03 主要内容

一、从有机碳汇到无机碳汇：一条被忽视的路径

大型海藻是近海生态系统的主要初级生产者，在驱动海洋负排放（通过各种途径从大气或海水中移除二氧化碳并长期封存的过程）中扮演着关键角色。长期以来，国内外研究聚焦于大型海藻的有机碳封存（将碳固定在生物体、有机残骸等有机物中的过程）能力，已形成相对成熟的“大藻有机碳汇”理论体系。然而，其蕴藏的另一条重要储碳路径——无机碳汇（通过形成碳酸钙等碳酸盐矿物，把碳以无机形式长期封存在海洋沉积物中的过程）——却长期被忽视。

近期研究表明，沉降后的大型海藻中约10%的碳能够转化为稳定无机碳组分，有效提升海水总碱度，贡献近海无机碳库（National Science Review, 12(8), nwaf273）。同时，野外调查在石莼等非钙化大型海藻周围频繁观测到碳酸钙（CaCO₃）沉淀现象。这表明，非钙化海藻同样能够诱导碳酸钙形成，但对其内在作用机制与生态效应缺乏了解。

图 1. 近海大型海藻生态系统中碳酸钙形成的多重路径

二、藻类自身的多重驱动：光合代谢与碳浓缩机制重塑微环境碳酸盐体系

非钙化海藻诱导碳酸钙形成，依赖协同的生理机制。

1）光合作用持续消耗水体溶解无机碳（CO₂和HCO₃⁻）与氢离子，抬升藻体表层微环境pH，促进碳酸根富集，从而提升碳酸钙饱和指数。在海藻密集区，该指数可远超矿物析出的临界值。

2）碳浓缩机制（CCMs，藻类在海水低CO2环境下主动把无机碳富集到细胞内的生理系统）依靠藻体表面胞外碳酸酐酶与阴离子转运蛋白，高效摄取海水当中的碳酸氢根，在藻体界面形成高pH、高CO₃²⁻浓度的微米级微区，该过程同步Ca²⁺的吸附富集，进一步降低矿物成核的动力学能垒。

3）海藻细胞壁多糖及分泌的胞外聚合物（EPS）富含羧基、磷酸基等负电基团，可高效捕获Ca²⁺，在藻体表面形成离子富集层。这类有机基质同时充当天然成核点，调控碳酸钙的晶型，降低结晶成核所需能量。

三、藻际微生物充当“隐性推手”：藻菌协同驱动碱化与碳酸钙成核

大型海藻与附着其表面的微生物共同构成共生功能体（holobiont）。藻际微生物可通过多条代谢途径显著提升微环境碱度，与藻类自身作用形成互补：

1）光合作用、尿素水解、碳酸酐酶催化等途径直接消耗H⁺或产生NH₃，提升局部pH；

2）反硝化作用、硫酸盐还原、甲烷氧化、氨基酸氨化等途径提升藻际碱度，在缺氧条件下持续生成总碱度（TA），使微环境维持碳酸钙过饱和状态，即使在夜间或无光时段也能维持矿化条件。

藻际微环境存在明显的氧化还原梯度-富氧表层、过渡层及缺氧区，不同区域由特定功能菌群主导差异化代谢，各类生化过程耦合协同。海藻表面常富集变形菌门、拟杆菌门、放线菌门和厚壁菌门中的大量矿化功能菌株（如 Rheinheimera、Bacillus、Nesterenkonia等），它们具备脲酶、碳酸酐酶活性及高产EPS的能力，且存在明显的功能冗余，保障了微环境理化条件的稳定性。这种藻菌协同产碱矿化体系，与海藻自身光合和CCMs对碳酸盐平衡的调控形成时空互补，为解释非钙化海藻生态系统中碳酸钙的持续形成提供了关键理论支撑。

四、生态效应与研究瓶颈

大型海藻介导的碳酸钙形成具备多重生态调控效应：

1）碳封存双重效应：碳酸钙矿物可作为“压舱物”，促进有机碎屑沉降，提高有机碳埋藏效率；同时，稳定态碳酸钙在沉积物中长期封存，形成无机碳汇。但需注意，碳酸钙生成过程（尤其是HCO₃⁻来源）会伴随CO₂释放，其“压舱增益”能否抵消释碳损耗，当前尚无定量观测数据。

2）缓解海洋酸化：矿物形成与溶解过程可缓冲海水pH剧烈波动，在海藻生境内部构筑局部抗酸化庇护空间，有利于贝类、钙化浮游生物等钙化生物的存活。

3）环境修复潜力：钙化共沉淀可截留磷酸盐；藻菌协同的脱氮、氨化途径削减氮负荷，缓解富营养化；碳酸钙矿物通过表面吸附和晶格置换固定重金属离子，矿物载体还可与降解微生物及胞外酶协同分解难降解有机污染物。

然而，当前认知仍存在关键缺口：

1）碳收支平衡难以量化—碳酸钙生成伴随的CO₂逸出与有机碳压舱增效之间的净效应不明。

2）近海碳酸盐矿物的长期稳定性及跨区域溶蚀-周转机制缺乏系统验证。

3）藻类自身生理与藻际微生物代谢对碳酸钙形成的独立贡献尚未实现区分和定量评估。

五、研究展望

围绕上述缺口，未来需从技术方法、机制解析和生态响应三个维度推进研究：

1）微观界面监测：研发适配藻际微环境的高分辨率原位传感技术，实时捕捉藻体界面Ca²⁺、pH、溶解无机碳的动态梯度，阐明微物理化学条件驱动矿化的核心机制。

2）藻菌互作分子机制：定向分离高效矿化功能菌群，构建可控共培养体系，结合功能基因表达验证与多组学分析，深度解析协同调控网络。

3）宏观生态响应：依托跨海域、长时序原位观测，系统揭示全球变化（升温、酸化、富营养化）对大型海藻碳酸钙形成的影响规律与调控机制。

综上，相关研究将完善大型海藻无机碳汇理论体系，准确评估大型海藻生态系统的碳汇能力，为海洋负排放、海域生态保护与修复提供科学依据与决策支撑。

04 论文信息

论文信息

Mingming Yang, Zenghu Zhang, Xueqing Shi, Yiwen Pan, Xiuzhen Li, Kunxian Tang, Yongyu Zhang and Nianzhi Jiao. Calcium Carbonate Formation in Coastal Macroalgal Ecosystems via Multiple Pathways[J].Green Carbon, 2026.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2026.05.007

论文下载

Calcium Carbonate Formation in Coastal Macroalgal Ecosystems via Multiple Pathways.pdf

中文解读原链接

青岛能源所建所20周年专刊丨焦念志院士：海藻生态系统碳酸钙多途径形成机制——被忽视的无机碳汇通道

05 作者简介

焦念志 院士

焦念志，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，美国微生物科学院院士，厦门大学教授、碳中和创新中心首席科学家，海洋负排放（ONCE）国际大科学计划首席科学家，Green Carbon顾问委员会委员。

张永雨 研究员

张永雨，中国科学院青岛能源所，研究员，海洋碳汇与能源微生物团队负责人，山东省泰山产业领军人才，Green Carbon青年编委。专注于海洋藻-菌-病毒间互作关系及其关联的海洋储碳机制、大型海藻碳汇、海洋微生物资源开发等研究。

张增虎 研究员

张增虎，中国科学院青岛能源所，研究员，中国科学院青年创新促进会会员，山东省泰山学者青年专家，Green Carbon青年编委。聚焦藻菌关系及其驱动的海洋碳汇。以第一作者或通讯作者在Natl Sci Rev、Science Adv、Nat Commun、ISME J、Global Change Biol等期刊发表SCI文章30余篇。

06 Green Carbon

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