氨基糖单体碳氮同位素的分析及其应用

氨基糖(AS)作为有机质中在分子水平识别的重要组分,研究其来源与转化能更好地认知微生物对有机质的调控作用。作为一种新兴技术,氨基糖单体同位素分析(CSIA-AS)为研究氨基糖各组分在自然环境中的变化特征提供了更详细的信息。本文系统总结了CSIA-AS技术的测定方法及其在氨基糖循环转化研究中的应用,气相色谱-同位素比值质谱法(GC-IRMS)和离子色谱-同位素比值质谱法(IC-IRMS)作为2种主要的氨基糖同位素测定方法,各有利弊,但进行相应的校正后均可实现可靠的测定结果。氨基糖各组分在土壤有机质中具有相对较低的周转时间,细菌来源的胞壁酸相对葡萄糖胺、半乳糖胺和甘露糖胺具有更高的矿化速率。氨基糖在环境中的来源和代谢转化受底物的影响,这与微生物群落对不同碳、氮源的特异性响应有关。CSIA-AS技术的推广需要进一步的方法优化并将其与微生物甄别等其他手段相结合,以此来更好地阐释有机质的来源、转化和归宿及其调控机制。     

长江口外低氧区及其邻近海域表层沉积物反硝化微生物多样性和分布特征

【目的】微生物参与的反硝化是河口区氮损失的主要途径。【方法】本研究采用Illumina MiSeq测序方法,研究了长江口外低氧区及其邻近海域表层沉积物中nirS型和nirK型反硝化微生物群落的多样性和分布特征。【结果】样品共检测到346个nirS Operational Taxonomic Units和267个nirK Operational TaxonomicUnits,根据采样地的环境特征及nirS型和nirK型反硝化微生物群落聚类分析结果将所有OperationalTaxonomicUnits划分为低氧区、南部区域及外部深水区,其中外部深水区的样品nirS功能基因的多样性最高。各实验样地优势Operational Taxonomic Units在系统进化关系上可分为多个不同的簇。此次发现的所有优势OperationalTaxonomicUnits均属于未被培养的菌群,其中部分Operational Taxonomic Units还是首次被发现。此外还发现nirS功能基因对低氧区的环境适应性更好。【结论】我们的研究结果表明广泛存在的反硝化微生物在河口沉积物的氮循环中发挥重要作用。     

海洋最小含氧带氮流失过程与机制

对全球大洋氮循环的研究发现,大洋输入和输出的氮存在严重的不平衡,所固定的氮中有相当一部分被还原为N₂或N₂O从大洋中流失,而海洋最小含氧带(OMZ)被认为是发生氮流失的最主要区域,通过反硝化作用和厌氧氨氧化作用,固定氮在OMZ海区内损失量可达40～450 Tg·a^-1.对不同海区OMZ内固定氮损失的两种主要作用总结发现,异养反硝化作用在热带太平洋东部、阿拉伯海的OMZ内以及海洋沉积物内占有显著优势,在智利、秘鲁沿岸海域及阿拉伯海域也已发现自养反硝化作用的存在;而在黑海、非洲西南部的本格拉上升流、智利北部沿岸等地,厌氧氨氧化作用强烈,且其在陆架区的作用强度和面积要大于大洋区.OMZ氮的流失除受氮流失过程自身影响外,固氮作用、硝化作用、硝酸盐异化还原作用等都可能对OMZ海区内氮收支不平衡造成影响.其中固氮作用的影响最不能忽视,其在全球OMZ内固定的氮的总量可达15～40 Tg·a^-1,是对OMZ氮流失量的重要补充.区分反硝化作用和厌氧氨氧化作用对OMZ氮流失的相对贡献,明确氮流失的另一产物N₂O的形成机制和定量评估方法是当前OMZ氮流失研究中存在的最主要问题.本文针对存在问题提出了相应的研究设想,以期为海洋最小含氧带的研究提供参考.     

固体介质中的重金属源解析及其在中国近海沉积物中的应用

沉积物中重金属源解析对甄别人为活动与自然变化对近海生态系统演化的影响有重要作用.本文总结了近年来污染物源解析常用的多元统计分析、地球化学方法和地质统计分析3种主要研究方法,剖析了不同方法的优劣及适用性,提出正定矩阵因子分析、Pb同位素示踪在重金属来源定量化研究中具有良好应用前景.梳理了中国近海沉积物中重金属来源的主要研究结果,发现河口和海湾是沉积物重金属受人为来源影响剧烈的典型近海区域,不同定量解析方法(多元统计分析、背景值估算、Pb同位素分析)均表明中国近海沉积物重金属的人为来源贡献率接近或超过50%.当前中国近海沉积物中重金属源解析研究还存在源识别端元模糊、解析结果缺乏相应的可靠性评价等问题.据此提出近海沉积物重金属源解析研究应使用多种解析技术手段综合、集成与优化,提高源解析的准确性;建立完善指标体系,筛选代表特定人为活动和自然过程的指标;甄别人为源重金属入海方式及过程,为沉积物数据信息的解译提供理论基础.     

黄河口潮间带沉积物细菌群落结构特征

选取黄河口潮间带有植被覆盖和无植被覆盖两个区域采集柱状沉积物,利用实时荧光定量PCR技术和高通量测序技术分析有无植被覆盖沉积物中的细菌群落特征和功能差异,探究影响潮间带细菌群落结构的主要环境因子。结果显示,细菌丰度在有植被区域大于无植被区域。沉积物中细菌群落丰富度和多样性在有植被区域随深度的增加而增加,而在无植被区域其最高值出现在沉积物中层（14-16 cm）。两个区域在门分类水平上以变形菌（Proteobacteria）、绿弯菌（Chloroflexi）、放线菌（Actinobacteria）和酸杆菌（Acidobacteria）为主;属分类水平上的优势类群为芽孢杆菌（Bacillus）、苍白杆菌（Ochrobactrum）、拟无枝菌酸菌（Amycolatopsis）和鞘脂单胞菌（Sphingomonas）等。相关性分析发现盐度和亚硝酸盐浓度对细菌群落多样性和丰富度影响显著。功能预测分析表明,有植被区域沉积物细菌在氨基酸代谢、膜运输和碳水化合物代谢方面功能活跃,而无植被区域细菌则在核酸复制和修复、能量代谢过程方面更为活跃。     

冲绳海槽热液区可培养硫氧化细菌多样性及其硫氧化特性

冲绳海槽热液区独特的地质环境孕育了特殊的生物群落,硫氧化细菌作为生物地球化学循环的重要参与者在热液生态系统中发挥着至关重要的作用。【目的】通过硫氧化菌株的分离培养揭示冲绳海槽热液区可培养硫氧化细菌的多样性和硫氧化活性。【方法】采用多种培养基对冲绳海槽热液区不同沉积物样品中的硫氧化细菌进行富集培养和分离纯化;利用16S rRNA基因序列确定硫氧化细菌的分类地位并进行系统发育分析;采用碘量法对典型硫氧化菌株硫氧化活性进行检测。【结果】本研究从冲绳海槽热液区样品中共分离鉴定85株硫氧化细菌,分属于α-变形菌纲、γ-变形菌纲、放线菌门和厚壁菌门,优势属为氢弧菌属(Hydrogenovibrio)、拉布伦氏菌属(Labrenzia)、深海海旋菌属(Thalassospira)和海杆状菌属(Marinobacter)。硫氧化活性检测结果表明,7株典型硫氧化菌株对硫代硫酸钠的降解活性介于31%–100%之间,其中泰坦尼克号盐单胞菌SOB56 (Halomonas titanicae SOB56)、南极海杆状菌SOB93(Marinobacter antarcticus SOB93)、印度硫氧化粗杆菌SOB107 (Thioclava indica SOB107)和嗜温氢弧菌CJG136 (Hydrogenovibrio thermophiles CJG136)可以完全降解硫代硫酸钠。【结论】冲绳海槽热液区可培养硫氧化细菌的多样性丰富,为研究该热液区的硫循环过程提供了实验材料和理论基础,多种硫氧化活性菌株的获得极大地丰富了菌种资源,为探究深海热液区硫循环的能量代谢途径和分子机制奠定基础。     

基于“双核”新框架的烟台近岸海洋环境健康综合评价

海洋生态环境健康已成为制约海洋经济发展的关键因素,科学评估近岸海洋生态环境整体的健康状况对持续利用海洋资源环境十分紧要。本研究基于新构建的以海洋生态系统自身状态为内核、以人类社会经济学指标为外核的“双核”评价框架和2008—2016年的调查资料,对烟台近岸海洋环境健康状况进行综合评估。结果表明: 烟台近岸海域的内核评级以“优”、“良”为主,总体上沉积物质量最好,水体环境质量稍差,而生物群落则是决定最终评级的核心因素;外核评价方面,以海洋产业产值和海洋保护区面积计算的外核得分为0.98。烟台近海最终的“双核”评价结果为“优/良+0.98”,这表明烟台近岸海域在保持高开发利用程度的情况下,目前海域生态环境健康状况仍然良好,但部分区域已经开始恶化,需在发展海洋产业的同时予以密切关注。“双核”框架的评价结果可为海洋资源开发和环境保护的管理决策提供指导,对实现海洋资源环境的可持续利用具有重要意义。     

胶州湾生源要素的大气沉降及其生态效应研究进展

作为受人类活动影响显著的典型半封闭海湾,胶州湾生源要素的大气沉降研究在揭示人为污染物质排放对海湾生态系统影响方面具有典型性.从大气干/湿沉降生源要素的研究方法、通量及其影响因素、入海生态效应3个方面入手,系统总结了胶州湾生源要素大气干、湿沉降及其生态效应的研究进展:1)与国内外有关海湾、河口和边缘海相比,胶州湾大气干、湿沉降氮的浓度和通量都较高,溶解无机氮(DIN)是其主要组分,溶解有机氮(DON)占总溶解态氮(TDN)含量的22%～31%,而P和Si的浓度和沉降通量都很低.2) (NO₃^--N+NO₂^--N)的大气沉降量比陆源输入量略高,而NH₄⁺-N、PO₄^3--P以及SiO₃^2--Si的大气沉降量所占比例很低.3)大气总悬浮颗粒物(TSP)浓度、排放源强度、降水量以及气象条件是影响胶州湾大气沉降生源要素的主要因素.4)大气沉降的生源要素可促进胶州湾初级生产力的提高和改变表层海水的营养盐结构,进而导致浮游植物群落结构的改变和优势种由硅藻向甲藻的演替,从而对胶州湾生态系统产生重要影响.对今后的研究提出建议:1)建设胶州湾大气干/湿沉降监测网;2)精确量化不同形态和粒径生源要素颗粒的干沉降速率;3)量化大气沉降生源要素入海的生态效应,并深入剖析其生物地球化学机制;4)甄别大气沉降生源要素通过间接方式入海的机制、通量及影响因素.深入研究胶州湾生源要素的大气沉降,对阐明人类活动对海湾生态系统的影响有积极意义,也有助于加深对陆架边缘海生源要素生物地球化学循环过程的理解.     

莱州湾小清河口近岸海域底栖生境健康评价

于2019年7月、8月和9月对莱州湾小清河口近岸海域的大型底栖动物进行调查，对该海域大型底栖动物群落的种类组成和群落结构等进行研究，利用丰度/生物量比较曲线法、AMBI指数法和M-AMBI指数法对研究海域大型底栖动物群落健康和底栖生境健康状况进行评价。研究结果表明，2019年7月、8月和9月共采集到大型底栖动物64种，其中多毛类24种，甲壳类19种，软体动物17种，其他类群4种。该海域的优势种为光滑河蓝蛤（Potamocorbula laevis）、彩虹明樱蛤（Moerella iridescens）、半褶织纹螺（Nassarius semiplicatus）、四角蛤蜊（Mactra veneriformis），寡鳃齿吻沙蚕（Nephthys oligobranchia）、中蚓虫（Mediomastus californiensis）、东方长眼虾（Ogyrides orientalis）、尖齿拳蟹（Philyra acutidens）和短角双眼钩虾（Ampelisca brevicornis），其中彩虹明樱蛤和寡鳃齿吻沙蚕在三次调查中均为优势物种，优势度明显。群落结构聚类分析和多维尺度分析表明，7月研究海域的大型底栖动物群落以10%的相似性可以分为3组，8月以18%相似性可以分为4组，9月以19%的相似性可以分为3组，三次调查的群落结构相似度均较低。丰度/生物量比较曲线法研究结果显示，底栖动物群落生物量优势显著，群落处于未干扰状态。AMBI指数及M-AMBI指数分析结果表明，莱州湾小清河口近岸海域底栖生境处于未干扰或者轻度干扰的状态，健康状况处于高等或者优良的状态。     

胶州湾大气活性硅酸盐干沉降特征及其生态效应

大气沉降作为陆源物质输送入海的重要途径之一,已成为国际上大气科学、海洋科学与环境科学交叉研究的热点之一。大气中的生源要素沉降入海后可能会对海洋生态系统产生重要影响。基于此,选择我国北方的一个典型海湾——胶州湾,采集了为期一年(2015年6月至2016年5月)的气溶胶总悬浮颗粒物(TSP, Total Suspended Particulate)和干沉降样品,测定了其中活性硅酸盐(SiO_3-Si, Reactive Silicate)的含量,在此基础上分析了大气中SiO_3-Si的浓度、干沉降通量和干沉降速率(V_d, Dry Deposition Velocity),并初步评估了其沉降入海的生态效应。结果表明:胶州湾大气TSP中SiO_3-Si的年均浓度为(1.98±1.22) nmol/m~3,呈夏秋季低,冬春季高的显著季节分布特征。大气SiO_3-Si浓度由青岛沿岸至黄、东海呈明显下降梯度,结合相关性分析,表明亚洲沙尘的远距离传输和矿物尘土再悬浮是中国东部陆架边缘海大气SiO_3-Si的主要来源。胶州湾气溶胶SiO_3-Si干沉降通量为8.48 mmol m~(-2) a~(-1),沉降负荷达87.8 t/a,显著高于同期湿沉降,可占胶州湾SiO_3-Si外源输入(包括干湿沉降和河流输入)的10.3%,表明干沉降是胶州湾SiO_3-Si的重要输入源之一。干沉降中较低的Si:N摩尔比(0.16±0.22)暗示大气干沉降可能是导致较长时间以来胶州湾水体Si限制的一个重要潜在因素,根据Redfield比值估算干沉降带来的SiO_3-Si输入可以支持674 mg C m~(-2) a~(-1)的新生产力,可占胶州湾新生产力的5.3%,表明大气SiO_3-Si的干沉降会对胶州湾生态系统产生一定影响。本研究系统解析了胶州湾大气SiO_3-Si的干沉降特征,首次评估了气溶胶SiO_3-Si的干沉降负荷在胶州湾外源输入中的重要性,对深入理解近海Si的生物地球化学循环过程具有重要意义。