地表環境中 最重要的二氧化碳儲存庫是海洋，二氧化碳大約祇有一半在大氣中, 大氣 (Rapp, 2008) - 海洋會發生二氧化碳的交換，海洋是目前二氧化碳匯 (sink)，而且是地球上最大的碳匯，吸收超過人為投入的空氣中四分之一的二氧化碳。在冰河時期的二氧化碳水平降低到〜180 ppmv的，這被認為是存儲在海洋。隨著冰河期的結束，CO2從海洋被釋放，二氧化碳濃度約在280 ppmv。二氧化碳循環的過程由物理幫浦 (physical pump)和生物幫浦 (biological pump)所驅動 (Sundquist, 1993)。
物理幫浦主要是在海水中和溫鹽環流二氧化碳的溶解度差。海水中碳的豐量 (abunndance) 將近404000 Gt ((1G t＝十億公噸＝10^15克 )，其中98﹪是溶解的無機碳，包括二氧化碳、碳酸氫根和碳酸根離子；其餘的碳主要是以溶解的性有機碳(DOC)的形成式存在，其豐量和大氣中的二氧化碳是同一量級。海洋的儲存庫又分為兩部分：表層海水和深層海水。表層海水暖而輕，深層海水冷而重。表層海水可以與大氣直接交換，而深層海水只能經過表層海水的運動與大氣交換，所以交換速率較慢 (Post et al.,1990)。
生物幫浦 (biological pump) 則是一個系列的總和的生物過程，在海洋表面的透光層固定碳（有機和無機的形式），由於生物作用將生物體所含的碳(包括生物組織的有機碳和生物殼體的無機碳)不斷送入深層海水，使得深層海水的二氧化碳總濃度高於表層海水約10﹪，這種現象稱之為生物幫浦作用。生物幫浦輸送到海底的有機碳的一小部分被埋沒在缺氧條件下的沉積物，並最終形成作為石油和天然氣等化石燃料 (Ducklow et al., 2001)。
碳可以藉著物理、化學及生物作用，在不同的儲存庫之間流通，流通的量就稱作通量(flux)。通量是指單位面積、單位時間所通過的物質量。通量對面積積分可得到總通量；由於自然界有明顯的季節性變化，所以再對時間(四個季節)積分，則可以得到年總通量，簡稱通量。推動自然界碳的流通最重要的兩個生物作用是光合作用和呼吸作用。光合作用將二氧化碳固定為葡萄糖，再合成其他生化物質。而呼吸作用則可將生化物質分解為二氧化碳及其他無機物質。陸地上光合作用的通量為100G tC／年，這又稱之為初級生產力 (primary production)。，它是推動生態活動的原動力。海洋裡的初級生產力，主要是發生在表層有光的部份，也就是所謂的真光層 (euphotic zone) 海水中，估計每年海洋中的浮游生物和陸生植物這攝取相同數量的二氧化碳（Arrgio，2005）。但是大部分光合作用所生產生的物質很快的就在真光層中分解掉了，所產生的營養鹽又循環被使用。只有少部分可以被輸送到真光層以下，這一部分就稱為新生產力 (new production)，也就是不在非真光層中循環被分解的生產力物質，其年通量為10G tC/yr。這些物質有40﹪是以顆粒體形式沉到真光層以下，有60﹪是以溶解有機碳形式隨著海水的垂直交換作用而進入深海。
深層海水又藉著海洋的垂直對流將這些過量的二氧碳輸送到表層來。這種由表層到深層的垂直對流大約一千年循環一次，表層海水和中層海水交換所需的時間則較短。海洋中有一些區域二氧化碳過飽和，所以會向大氣排放二氧化碳，有些區域二氧化碳不飽和，所以可以吸收大氣中的二氧化碳。在浮游植物大量繁殖時也會造成二氧化碳不飽和，不過，浮游植物死亡分解時，又會將二氧化碳放出來。在海洋的碳循環中，顆粒性有機碳在光透層中的輸出通量(export flux of particulate
organic carbon, POC) 扮演了重要的角色。
溶解在水中的二氧化碳的量，是由浮游動植物（特別是藻類）行光合作用量的影響。浮游植物的光合作用大多發生在水深50公尺 的地方，但季節和地點的影響很大，海洋中的浮游植物指的是一些單細胞藍綠菌和藻類，主要生活在海水上層約 100 公尺 以內，太陽光照足以提供光合作用的區域。浮游植物透過光合作用，把無機的二氧化碳固定為有機的碳水化合物，把太陽能轉變為化學能儲藏在有機物中，所形成有機物的量稱為基礎生產力。海洋中幾乎所有生命的基礎，都來自於海洋植物行光合作用，漂浮在海洋中的微小浮游生物的基礎生產力，卻占了整個海洋基礎生產力的
95％。負責海洋初級生產的包括原核浮游生物 (藍藻，原綠球藻和聚球藻) 和真核浮游生物 (矽藻，甲藻，鞭藻prasinophytes，定鞭金藻prymnesiophytes等（Keeling et al.,
2005; Hampl et al.,
2009）。大部分海洋浮游植物是的“picoplanktonic”（<2-3 span="span">微米直徑）並具有高的表面積與體積比，此特性在低營養鹽含量的大洋中是個優點（Chisholm, 1992; Worden and Not,
2008; Vaulot et al.,2008; Raven, 1998）。
海洋的浮游植物藉由光合作用將部分的人為二氧化碳轉換為有機碳，其中顆粒性有機碳 (particulate organic carbon,
POC) 輸出通量 (flux) 在表層海洋中扮演移除碳的角色。浮游生物是海洋環境中的基礎生產者，其生長受到光照、溫度、捕食和營養鹽的影響。在過去的研究方法上，傳統的浮游生物生態研究依賴形態學鑑定，是一個高度專業而不容易的任務，因為浮游生物尺寸的微小與缺乏容易分辨的分類特徵(Yan and Yu, 2011)。在海洋環境中，大多數的固碳作用是由微生物浮游植物所進行的，只有1-5％固碳作用是由底棲生物，如巨藻，藍藻和海草所貢獻的（Gadd and Raven，2010）。因此，不同調查得到相異的結果，相同的樣本，有時有顯著的差異。一般常用化學分析和分子生物技術來研究浮游生物的生理狀態，但化學分析如果培養時間長則容易受到瓶子效應的干擾，而分子技術只在應用於實驗室中能培養的物種，卻這些物種在野外可能不是優勢種或只是眾多物種之一，而達不到預期的成果。
近年來因為定序技術的進步，因此可直接對環境中所有生物做定序，以取得大量未組合的序列資料，再經由與不同資料庫間的互相比對來注解所得基因的功能性、研究不同功能基因的表現量、尋找新物種或未知基因，藉由分析基因功能可顯示取樣環境的獨特性，所以可呈現更多方式來解釋與判斷各項環境因子。儘管對碳循環重要的真核浮游植物，但只有六個物種(主要是矽藻與鞭藻)被全基因組測序出來與比對分析 ，以18S rRNA的基因序列分析為基礎，發現這些物種比預期的有更大的差異。所觀察到的差異與物種的生理和生態棲位的適應有密切關連（Bowler et al., 2010；Cuvelier et al., 2010）。環境中的微生物 超過99％的不能在實驗室中培養，這限制了我們對微生物的生理學，遺傳學和族群生態學的研究。解決這個問題的方法之一是宏基因組學(metagenomics)，直接分析環境中微生物的基因組。基因組定序和生物資訊提供對無法培養微生物的初步了解 (Schloss
and Handelsman,
2005)。
宏基因組學，或 “無法培養的整體微生物的的基因組分析 “the culture independent
genomic analysis of assemblages of microorganisms””（Handelsman，2004; Riesenfeld et al.,2004），使我們可以研究多數微生物的
遺傳多樣性，種群結構和生態功能。我們對大多數微生物的了解是在實驗室中從生物化學與分子研究而得的，並不是實際的從不同環境中去研究它們對環境的變化的適應，直接研究不同環境的基因組可解答前述的問題。經過基因組定序，宏基因組學能識別生物體在的環境中的潛在功能，可以幫助了解生物在環境中所扮演的功能性角色。不同的微生物群落小生境（包括海洋，湖泊，土壤，熱泉，口腔和胃腸道）已利用宏基因組為研究的基礎 (Yan and Yu, 2011)。現在，”宏基因組”指所有直接從環境樣品收集遺傳物質，以基因組的方式 研究，從單個基因的研究到一群有機體的集體基因，宏基因組學超越單生物的基因組 (Sharma et al. 2005)。更重要的是，宏基因組學超越傳統的微生物學與基因組學研究的局限性。
浮游植物顯然是必需的碳和其他元素的全球循環，但它們不是唯一的在海中的微生物。有多少其他微生物在海洋中，他們是如何謀生？多年來，沒有人知道如何來解決這些問題。科學家深入研究微生物時，需要在實驗室培養微生物，但只能培養非常小部分的微生物，科學家只看到在顯微鏡下放置了一滴海水的微生物。要解決這問題。 “宏基因組學(metagenome)”的方法，因為基因定序輸出通量（throughtput）增加非常大，不但使得與生態相關之微生物（但對基因體毫無所知）定序變為可行，而且對原位樣品或強化培養的整個微生物族群之基因體解讀變為可能。宏基因組學方法對海洋浮游生物的宏基因組研究，最早在2004年對馬尾藻海 (the Sargasso Sea) 的研究 (Venter et al., 2004)，以散彈槍 (shotgun) 法定序馬尾藻海海域的微生物：從馬尾藻中的四測站獲得約160萬可讀的序列，匯集後產生約產生64,000基因序列，長度範圍從826至2.1
M 鹼基。從基因序列進行物種鑑定，發現包括伯克霍爾德 (Burkholderia)，希瓦氏菌 (Shewanella)，SAR86和原綠球藻株 (Prochlorococcus) （Venter等，2004），雖然伯克霍爾德和希瓦氏菌可能是相關的船載污染（DeLong and Karl, 2005）。Veter等人的研究打開了海洋基因組學的大門。2011年，微生物學家已經確定了2000萬個基因，發現以前沒有被了解的新陳代謝路徑和新反應，許多這些基因是微生物生存不可少的，但約1500個基因是特別重要的。這些基因編碼的蛋白質和光合作用有關，提供氧氣，使我們的大氣透氣性和二氧化碳轉換成有機物質在使用。其他的基因編碼的酶則代謝有機物質產生能量，製造二氧化碳。
細菌浮游生物大約有九成以上生產量會經由鞭毛蟲攝食向上傳遞，鞭毛蟲每日所攝食之能量64%來自異營細菌，34%來自藍綠細菌，故海洋微生物食物網能將能量向上傳遞情況 (林與蔣, 2012)，支持利用宏基因組作為海洋生產力與碳循環研究的方法，因為宏基因組學超越傳統的微生物學與基因組學研究的局限性。
另一方面，根據2007-2009 年間在東海南部海上碳通量觀測數據顯示，此海域的營養鹽供應及浮游植物葉綠素現存量出現明顯的季節變化，冬天與春天均高，然而夏季在非颱風季節則是有相對的低值，已證明強烈颱風的效應會大大提升海洋生產力與吸收二氧化碳的能力 ，颱風入侵時，表水營養鹽的濃度增加10 倍以上，而顆粒有機碳通量亦增加了3 倍之多 (Hung and Gong, 2011)。首度利用分子生物相關技術，解析亞洲沙塵暴提供的營養鹽不僅能夠抒解西北太平洋寡營養水域超微原核浮游植物營養鹽限制的情形，並可以促使當中的聚球藻族群在此短暫大量增生(Chung et al., 2011)。雖然颱風的效應會大大提升海洋生產力與碳向深海輸出的能力，但颱風對二氧化碳的整體效應還是不清楚，因為颱風所帶來的劇烈攪動往往會將二氧化碳送到大氣中，已有調查成果揭示浮游植物葉綠素增加的因素是受營養鹽的增加的影響，而不是完全受次表層浮游植物或有顏色的有機物質被帶至表層作用的影響，未來的研究應該注重在碳的整體收支平衡上。海洋中浮游生物所消耗的有機碳具季節變化，最高的是在春季和夏季，因為此時有較高的浮游生物質量 (biomass)，浮游生物有機碳的消耗和顆粒有機碳之間具顯著 (p<0 .05=".05" span="span">的相關性。在秋季和冬季浮游生物所消耗的有機碳較低。
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