大气汞源解析受体模型研究进展

大气汞循环演化对全球汞的生物地球化学循环起着极其重要的作用。人为活动(化石燃料燃烧、水泥生产、氯碱制造以及金属冶炼与加工等)已成为大气汞的重要来源。在一定条件下,大气中的汞会发生干湿沉降而对某一局部环境——受体产生很大的影响。大气汞沉降在城市和工业区呈现出很强的空间梯度现象,排放源附近的汞沉降量明显较强。利用对受体的研究开展大气汞的源解析工作,是大气汞研究的一个重要领域。本文综述了污染物源解析的受体模型的研究及应用,介绍了化学质量平衡法、因子分析法、正交矩阵因子分解法、多元线性回归法等方法,概括了源解析在大气汞方面的应用成果,对我国区域大气汞源解析受体模型的建立及应用进行了探讨。     

大气溴甲烷的释放与控制研究

大气溴甲烷是破坏大气臭氧层的主要化合物之一,既有人为释放,也有自然释放,目前还存在着巨大的未知源。了解大气溴甲烷释放规律和控制措施,不仅对保护臭氧层具有重要意义,而且是大气溴甲烷含量的历史追溯和未来预测的重要基础,是全球变化研究热点。全面介绍了大气溴甲烷排放的途径和机制以及调控排放通量的主要措施,并分析了近期的优先研究领域。     

海岸带地区的固氮、氨化、硝化与反硝化特征

海岸带是海洋环境中受人类活动影响最大、生物地球化学循环最为活跃的地区。这一地区氮的生物地球化学循环包括 :生物固氮、有机氮的氨化、氮的硝化、反硝化等 4个主要过程。概括性地介绍了有关这四个过程的发生机制、环境影响因素及研究方法等方面的研究动态、进展、存在的科学问题与今后的研究方向。过去十几年来 ,固氮主要集中在对束毛藻属的研究上 ,其间有两个重要发现 ,一是生物固氮在海洋氮循环中的作用远比人们以前的想象要重要得多 ;二是蓝细菌已经在海洋中存在了 2 0亿年 ,它们有可能调节大气中的 CO2 ,进而影响全球气候。由于有机物的结构千差万别 ,含氮有机物的氨化过程可能是一个简单的矿化反应 ,也有可能是一系列复杂的代谢过程 ,在水解酶的作用下含氮有机物降解为下一级化合物。硝化过程分两步进行 ,氨的硝化为反硝化细菌提供了重要的硝酸盐来源 ,通常采用同位素方法来研究硝化过程。发生在沉积物中的反硝化过程是氮循环的关键步骤 ,反硝化过程一方面减少了海水中初级生产者可利用的氮 ,另一方面产生了终结产物 N2 和 N2 O,而 N2 O是一种温室气体 ,可能影响全球气候变化     

海洋浮游生物的生态化学计量学研究进展

生态化学计量学可以简单定义为从分子到生物圈的元素生物学,其跨越了环境和生命的各个层次,是构建从分子到生态系统统一化理论的新思路,是生态科学发展的必然趋势.海洋生物占地球生物圈总生物量的50%,是全球生物地球化学循环的重要组成部分,而浮游生物作为海洋生态系统物质循环和能量流动的重要环节,在海洋生态系统元素循环过程中起着关键作用.但是目前关于海洋浮游生物生态化学计量学的研究较零散和缺乏.因此,本文从限制元素影响海洋浮游生物的生态现象和机理、生化物质对营养限制的响应、营养限制的食物链传递与反馈4方面,对海洋浮游生物化学计量学研究进行综述,分析了该领域当前存在的问题,并对我国海洋浮游生物生态化学计量学研究的发展重点提出了展望.
     

珊瑚礁区碳循环研究进展

珊瑚礁是海洋中生产力水平最高的生态系统之一,其碳循环受到有机碳代谢(光合作用/呼吸作用)和无机碳代谢(钙化/溶解)两大代谢过程的共同作用,过程十分复杂.珊瑚礁植物的光合作用保证了有机碳的有效补充,动物摄食及微生物降解等生物过程驱动了珊瑚礁区有机碳高效循环,只有不超过7％的有机碳进入沉积物,而向大洋区水平输出的有机碳通量变化幅度较大,主要受到水动力条件的影响.珊瑚礁区碳酸盐沉积(无机碳代谢)是全球碳酸盐库的重要组成部分,年累积量达到全球CaCO3年累积量的23%～26%,是影响大气CO2浓度的重要组成;珊瑚礁是大气CO2源或汇则取决于净有机生产力与净无机生产力的比值(ROI),当ROI <0.6时,珊瑚礁区是大气CO2的源,反之,则是大气CO2的汇.     

气候变化对海洋病毒生态特性及其生物地球化学效应的影响

摘要:病毒作为海洋中丰度最高的生命粒子,通过侵染和裂解宿主细胞影响宿主生理生态特性,改变海洋食物网的物质循环和能量流动,在海洋生物地球化学过程中扮演着重要角色。全球气候变化导致海面升温、海洋酸化、营养盐和海水盐度变化、低氧区扩大等海洋环境问题,对海洋病毒生理生态特性产生直接或间接的影响。本文从海洋病毒的生态功能和生物地球化学效应出发,概述了气候变化因子对病毒分布、丰度、生命策略以及与宿主之间相互作用等的影响,提出海洋病毒是全球气候变化研究中不可或缺的对象。     

软珊瑚(Sinularia flexibilis)和柳珊瑚(Plexaura homomalla)化学防御物质研究进展

软珊瑚(Sinularia flexibilis)和柳珊瑚(Plexaura homomalla)属于海洋低等无脊椎动物,虽然这些动物自身缺乏有效的物理防御手段,却能在竞争激烈的海洋环境中生存与繁衍,这主要是依靠其次级代谢产物的化学防御作用.这些次级代谢产物聚积在体内或释放到环境中,作用主要体现在抵御捕食者、抗病原微生物、克生与防附着等方面.珊瑚化学防御物质的研究有助于探讨珊瑚与其环境中其它生物的化学生态关系,属于海洋化学生态学研究的重要内容之一,其研究方法和思路对海洋活性天然产物乃至海洋新药先导化合物的发现,具有重要的启迪作用.综述了软珊瑚和柳珊瑚化学防御物质的研究进展,并阐释了软珊瑚和柳珊瑚中具有拒捕食、克生、防生物附着等生物活性的次级代谢产物的结构及其化学防御作用.     

生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特征

生态系统元素平衡是当前全球变化生态学和生物地球化学循环的研究热点和焦点.在系统介绍生态化学计量学与碳氮磷元素循环研究进展的基础上,重点从土壤C:N:P化学计量比的分布特征、指示作用、对碳固定的影响,以及人类活动对C:N:P比的影响等方面探讨了C:N:P比在养分限制、生物地球化学循环、森林演替与退化等领域中的应用等问题,并展望了生态系统碳氮磷平衡的元素化学计量学未来研究的发展方向.通过对生态化学计量学理论和方法的研究,可以深入认识植物-凋落物-土壤相互作用的养分调控因素,对于揭示碳氮磷元素之间的相互作用及平衡制约关系,为减缓温室效应提供新思路和理论依据,具有重要的现实意义.     

水生生态系统的碳循环及对大气CO2的汇

水生生态系统,特别是海洋无疑是大气CO2的一个巨大的汇.海洋对大气CO2的汇以及大气圈和海洋之间碳的变换量在很大程度上取决于混合层碳酸盐化学、水中溶解碳的平流传输、CO2通过空气--海水界面的扩散、海洋生物生产和所产生的有机碳化合物的沉降等,现在已建立和发展了多种海洋碳子模型以对CO2的汇进行估测.根据国内外研究资料,综述了水生生态系统碳循环过程及"生物泵”作用机制等方面的研究进展;介绍了两大类主要的海洋碳子模型厢式模型和普通环流模型,采用这些模型对海洋碳汇的估算约为1.2～2.4GtC/a;分析了湖泊、河流等对大气CO2汇的特点及向海洋的转移,并对影响水体生态系统碳循环和大气CO2汇的因素进行了讨论.     

极地大气汞亏损研究进展

汞是唯一以气态单质形态随大气循环参与全球迁移的重金属元素,大气汞的长距离传输是汞的生物地球化学循环的重要特性之一,对全球汞循环有着重要的影响.由于汞的全球传输与沉降,汞在极地的污染不容忽视.科学工作者分别于1995年、2000年在北极和南极地区发现了大气汞亏损现象,并提出了对大气汞迁移转化的新认识,促进了对特殊气候、环境下汞在大气中的形态转化及其对陆地生态系统的影响研究.目前对极地大气汞亏损过程及其影响了解仍不够深入.本文从极地大气汞的分布、大气汞亏损的发生机制、沉降汞的归趋以及生物响应等综述了近年来对极地大气汞亏损的研究工作,并对极地大气汞亏损今后的研究方向作了展望,为特殊气候环境下大气汞的迁移转化机理研究提供借鉴.     

陆地和淡水生态系统新型微生物氮循环研究进展

氮生物地球化学循环是地球物质循环的重要枢纽,是决定陆地生态系统生产力水平、水资源安全、温室气体生成排放的关键过程。氮循环是由微生物介导的一系列复杂过程,不同形态、价态氮化合物的转化分别由相应的功能微生物驱动完成。随着厌氧氨氧化、完全氨氧化等新型氮转化过程的相继报道和发现更新了人们对氮循环的认识。本文综述了陆地和淡水生态系统中厌氧氨氧化(anammox)、硝酸盐异化还原为铵(DNRA)、完全氨氧化(comammox)等新型氮循环过程的发生机制、热区分布及环境效应,并总结了这三种氮循环的相互关系。     

木质素在海洋中的生物转化及其对海洋碳循环的影响

微型生物参与的海洋碳汇是海洋重要的储碳途径,可调节全球气候变化。木质素是地球上第二大光合而成的碳库,其在海洋中的生物地球化学过程与海洋碳循环密切相关。异养微生物所主导的代谢活动是木质素生物转化的主要途径。近年来,迅速发展的高通量测序技术与传统微生物技术相结合,在探索自然生境中木质素代谢菌群,发现木质素代谢新物种,挖掘相关功能基因等方面已取得一系列成果。然而绝大多数的研究主要集中于陆地生态系统,对于海洋生态系统的研究仍较少。陆源有机碳在海洋中的转化过程仍是一个"谜",故解析海洋木质素碳转化是海洋碳循环研究的重要任务。本文综述了参与海洋木质素转化的功能微生物、木质素代谢机理以及微生物碳代谢活动与海洋碳汇过程的内在联系,为今后的研究提供参考。     

陆地生态系统卤甲烷释放特点及其生态意义

大气卤甲烷与平流层臭氧破坏密切相关,并参与光化学反应,还具有一定的．温室效应和污染毒害作用。研究发现：(1)大气CH3Cl和CH3Br存在巨大的未知源,它们的已知源分别仅占已知汇的大约1／2～2／3和60％。而CH3I的源和汇还都不确切;(2)陆地生态系统有可能是最大的卤甲烷自然释放源;(3)生物合成和土壤非生物生产是陆地生态系统卤甲烷生产的两个主要途径;(4)沿海湿地、水稻田、热带森林等陆地生态系统是卤甲烷主要释放源;(5)陆地生态系统卤甲烷的自然释放可能在生物竞争、生物代谢和大气环境污染方面具有重要的生态意义;(6)随着大气卤甲烷人为释放源的控制,其自然释放源的相对重要性将更加突出。提出了当前陆地生态系统卤甲烷释放研究的重点方向以及我国开展相关研究的重要意义。     

Neutrophilic Iron-Oxidizing Bacteria in the Ocean: Their Habitats,Diversity, and Roles in Mineral Deposition,Rock Alteration,and Biomass Production in the Deep-Sea

The importance of metals to life has long been appreciated. Iron (Fe) is the fourth most abundant element overall, and the second most abundant element that is redox-active in near-surface aqueous habitats, rendering it the most important environmental metal. While it has long been recognized that microorganisms participate in the global iron cycle, appreciation for the pivotal role that redox cycling of iron plays in energy conservation among diverse prokaryotes has grown substantially in the past decade. In addition, redox reactions involving Fe are linked to several other biogeochemical cycles (e.g., carbon), with significant ecological ramifications. The increasing appreciation for the role of microbes in redox transformations of Fe is reflected in a recent surge in biological and environmental studies of microorganisms that conserve energy for growth from redox cycling of Fe compounds, particularly in the deep ocean. Here we highlight some of the key habitats where microbial Fe-oxidation plays significant ecological and biogeochemical roles in the oceanic regime, and provide a synthesis of recent studies concerning this important physiological group. We also provide the first evidence that microbial Fe-oxidizing bacteria are a critical factor in the kinetics of mineral dissolution at the seafloor, by accelerating dissolution by 6–8 times over abiotic rates. We assert that these recent studies, which indicate that microbial Fe-oxidation is widespread in the deep-sea, combined with the apparent role that this group play in promoting rock and mineral weathering, indicate that a great deal more attention to these microorganisms is warranted in order to elucidate the full physiological and phylogenetic diversity and activity of the neutrophilic Fe-oxidizing bacteria in the oceans.     

The Role of Heterotrophic Microbial Communities in Estuarine C Budgets and the Biogeochemical C Cycle with Implications for Global Warming: Research Opportunities and Challenges

Estuaries are among the most productive and economically important marine ecosystems at the land–ocean interface and contribute significantly to exchange of CO₂ with the atmosphere. Estuarine microbial communities are major links in the biogeochemical C cycle and flow of C in food webs from primary producers to higher consumers. Considerable attention has been given to bacteria and autotrophic eukaryotes in estuarine ecosystems, but less research has been devoted to the role of heterotrophic eukaryotic microbes. Current research is reviewed here on the role of heterotrophic eukaryotic microbes in C biogeochemistry and ecology of estuaries, with particular attention to C budgets, trophodynamics, and the metabolic fate of C in microbial communities. Some attention is given to the importance of these processes in climate change and global warming, especially in relation to sources and sinks of atmospheric CO₂, while also documenting the current paucity of research on the role of eukaryotic microbes that contribute to this larger question of C biogeochemistry and the environment. Some recommendations are made for future directions of research and opportunities of applying newer technologies and analytical approaches to a more refined analysis of the role of C in estuarine microbial community processes and the biogeochemical C cycle.     

A Synthesis of Climate and Vegetation Cover Effects on Biogeochemical Cycling in Shrub-Dominated Drylands

Semi-arid and arid ecosystems dominated by shrubs (“dry shrublands”) are an important component of the global C cycle, but impacts of climate change and elevated atmospheric CO₂ on biogeochemical cycling in these ecosystems have not been synthetically assessed. This study synthesizes data from manipulative studies and from studies contrasting ecosystem processes in different vegetation microsites (that is, shrub or herbaceous canopy versus intercanopy microsites), to assess how changes in climate and atmospheric CO₂ affect biogeochemical cycles by altering plant and microbial physiology and ecosystem structure. Further, we explore how ecosystem structure impacts on biogeochemical cycles differ across a climate gradient. We found that: (1) our ability to project ecological responses to changes in climate and atmospheric CO₂ is limited by a dearth of manipulative studies, and by a lack of measurements in those studies that can explain biogeochemical changes, (2) changes in ecosystem structure will impact biogeochemical cycling, with decreasing pools and fluxes of C and N if vegetation canopy microsites were to decline, and (3) differences in biogeochemical cycling between microsites are predictable with a simple aridity index (MAP/MAT), where the relative difference in pools and fluxes of C and N between vegetation canopy and intercanopy microsites is positively correlated with aridity. We conclude that if climate change alters ecosystem structure, it will strongly impact biogeochemical cycles, with increasing aridity leading to greater heterogeneity in biogeochemical cycling among microsites. Additional long-term manipulative experiments situated across dry shrublands are required to better predict climate change impacts on biogeochemical cycling in deserts.     

Diversity of methyl halide-degrading microorganisms in oceanic and coastal waters

Methyl halides have a significant impact on atmospheric chemistry, particularly in the degradation of stratospheric ozone. Bacteria are known to contribute to the degradation of methyl halides in the oceans and marine bacteria capable of using methyl bromide and methyl chloride as sole carbon and energy source have been isolated. A genetic marker for microbial degradation of methyl bromide ( cmuA ) was used to examine the distribution and diversity of these organisms in the marine environment. Three novel marine clades of cmuA were identified in unamended seawater and in marine enrichment cultures degrading methyl halides. Two of these cmuA clades are not represented in extant bacteria, demonstrating the utility of this molecular marker in identifying uncultivated marine methyl halide-degrading bacteria. The detection of populations of marine bacteria containing cmuA genes suggests that marine bacteria employing the CmuA enzyme contribute to methyl halide cycling in the ocean.     

获取有机物厌氧降解产甲烷过程中关键功能类群——互营细菌培养物

互营代谢是微生物之间的重要种间互作关系之一,参与互营代谢的微生物广泛存在于土壤、淡水和海水沉积物、厌氧消化反应器、动物肠道和极端环境中(如地下油藏),在有机物厌氧降解转化为二氧化碳和甲烷的过程中发挥着关键性的作用。研究互营细菌的物质代谢和能量传递的分子机制,对认识缺氧环境中的元素生物地球化学循环具有重要意义,也为解决全球能源危机、缓解气候变暖提供理论指导。但是,互营细菌生长缓慢、对氧气敏感,其分离培养的难度大。本文主要回顾了互营细菌的分离策略及其生理生化特征,展望了互营细菌分离培养的发展趋势,并指出以高通量筛选与定向分离相结合的方法,获得具有特定生理生态学功能的互营细菌,是互营微生物资源和分类学研究的发展方向。     

全球变化对海洋生态系统初级生产关键过程的影响

工业革命以来, 不断加剧的人类活动所引起的大气CO₂浓度增加、温度上升等全球变化问题, 正使得海洋生态系统面临着前所未有的压力。该文通过文献计量的方法分析了国内外的研究现状, 简要地回顾了全球变化对海洋生态系统影响研究的发展简史, 并聚焦海洋暖化、海洋酸化和富营养化与缺氧这三个核心研究方向, 重点阐述了它们对海洋生态系统初级生产的关键过程的影响, 总结了已取得的重要进展以及存在的主要问题, 最后提出前沿展望。     

植被变化对气候的反馈机制及调节效应

植被通过光合作用固定大气中的CO₂来减缓温室效应，同时植被也通过改变地表能量收支影响温室效应。在过去的气候-植被研究中，大多关注气候变化对植被的影响，而植被对气候反馈的研究相对较少。植被通过调节地表能量收支、水通量等重要地气过程影响局地、区域乃至全球气候，在气候变化中的作用十分重要。因此，需要厘清植被对气候的反馈效应机制及其结果，并识别其地域差异。从生物地球物理和生物地球化学过程两方面分析植被与气候之间的作用机制，对全球及关键区域内植被变化对局地、区域乃至全球的气候反馈效应进行了系统总结：（1）生物地球物理反馈的区域特征明显，生物地球化学反馈则表现在全球尺度上，二者相互作用但难以统一；（2）植被破坏带来的气候影响在气温效应方面与生态系统的类型及地理分布相关：热带森林破坏带来增温效应，北方森林破坏带来降温效应，温带森林破坏则会通过增加森林反照率抵消丢失的固碳降温效应，气温效应表现不明显；（3）当前研究对关键过程机制考虑不够完善，不同研究方法的结果差异较大，且缺乏高质量观测数据的验证；同时考虑生物地球物理和生物地球化学的净气候反馈研究尚无法支撑植树造林对气候变化单一减缓作用的常规理解。本文可为科学评估植树造林对气候变化作用的方向与强度提供理论依据。