海洋所基于系列新的生物標(biāo)志物詮釋了近百年來(lái)黃東海低氧、底層水溫和氮循環(huán)的演變特征
近日,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所宋金明、袁華茂研究團(tuán)隊(duì)利用新的生物標(biāo)志物細(xì)菌藿多醇(BHPs)和細(xì)菌3-羥基脂肪酸(3-OH-FAs),反演了近百年來(lái)黃東海低氧、底層水溫和氮循環(huán)的演變特征,研究成果連續(xù)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Chemical Geology發(fā)表。
在氣候變化與富營(yíng)養(yǎng)化的雙重驅(qū)動(dòng)下,近海水體低氧日趨嚴(yán)重,并對(duì)海洋氮循環(huán)產(chǎn)生重要影響。利用有效的環(huán)境代用指標(biāo)研究海洋低氧及氮循環(huán)過(guò)程演變,有助于更好地解析其變化過(guò)程,回答其如何發(fā)展而來(lái)、又將如何發(fā)展下去這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。BHPs是一種同時(shí)集合生物來(lái)源專屬性和環(huán)境特異性的微生物標(biāo)志物,對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)敏感且保存穩(wěn)定,在團(tuán)隊(duì)前期研究中已證實(shí)其在指示低氧環(huán)境及氮循環(huán)過(guò)程(如厭氧氨氧化和固氮)中的潛能。
東海內(nèi)陸架存在南北兩個(gè)典型的季節(jié)性低氧區(qū),即長(zhǎng)江口外低氧區(qū)和南部近岸低氧區(qū)。然而,由于缺乏長(zhǎng)期綜合觀測(cè),特別是南北低氧區(qū)對(duì)比研究,目前對(duì)兩處低氧區(qū)的年際變化、區(qū)域差異及其對(duì)氮循環(huán)影響的了解尚且不足?;诖?,宋金明研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比分析了東海南北低氧區(qū)兩個(gè)沉積柱中特征BHPs的沉積記錄,特別是來(lái)源于海洋厭氧氨氧化菌的細(xì)菌藿四醇異構(gòu)體(BHT-x)和固氮藍(lán)藻標(biāo)志物2-甲基BHT(圖1),并結(jié)合該海域生產(chǎn)力指標(biāo)(TOC、HAB)和低氧指標(biāo)(低氧面積、有孔蟲(chóng))等(圖2),重建了近百年來(lái)東海南北低氧區(qū)低氧和氮循環(huán)的演變歷史。


圖1 東海北部沉積柱3100-2和南部沉積柱DH6-1中BHPs ( g/g TOC)及其指標(biāo)的年代際變化

圖2 東海環(huán)境指標(biāo)的沉積記錄。(a)低氧面積及最小氧濃度;(b)有害藻華HAB面積;(c)DIN和PO4-年輸入量;(d)氧化還原敏感元素U/Al和Mo/U;(e)年輸沙量;(f)有孔蟲(chóng)密度;(g)C27+C29+C31正構(gòu)烷烴;(h)總海洋生物標(biāo)志物;(i)總梯烷脂;(j)年均海表溫度變化
東海北部沉積柱3100-2中BHT-x ratio的年際變化表明,長(zhǎng)江口外低氧在上世紀(jì)90年代達(dá)到峰值,2000年以來(lái)低氧持續(xù)加劇。2000年以來(lái)由于富營(yíng)養(yǎng)化的增強(qiáng),該區(qū)域海源有機(jī)質(zhì)(MOM)貢獻(xiàn)增加至約80%,其降解是低氧形成的主要原因,同時(shí)強(qiáng)烈的水體分層加劇了底層水體低氧。不同的是,盡管2000年后南部沉積柱DH6-1中MOM呈現(xiàn)增加趨勢(shì),但其低氧程度顯著減弱,這可能是由于該海域水體分層減弱。此外,東海南北沉積柱中BHT-x和2-甲基BHT相似的年際變化表明低氧時(shí)期厭氧氨氧化和固氮活動(dòng)均增強(qiáng)。低氧、厭氧氨氧化和固氮活動(dòng)的共變說(shuō)明低氧促進(jìn)了厭氧氨氧化,這可能在一定程度上會(huì)誘使固氮活動(dòng)增強(qiáng)以補(bǔ)償?shù)獡p失。該研究首次將生物標(biāo)志物BHPs應(yīng)用于東海南北低氧區(qū)沉積記錄,有效揭示了近百年來(lái)東海低氧和氮循環(huán)的長(zhǎng)期演變規(guī)律、控制因素及其區(qū)域差異,為探明近海生態(tài)環(huán)境演變特征及毗鄰海域人類活動(dòng)的有效管理提供理論支持和科學(xué)支撐。
細(xì)菌3-羥基脂肪酸(3-OH-FAs)是革蘭氏陰性菌細(xì)胞外膜磷脂脂多糖中類脂A的主要組分,細(xì)菌可通過(guò)改變不同3-OH-FAs的相對(duì)含量來(lái)調(diào)整細(xì)胞膜的流動(dòng)性,以應(yīng)對(duì)外界環(huán)境條件變化并維持其正常的生命活動(dòng),因此可作為古環(huán)境重建的潛在生物標(biāo)志物?;?span>3-OH-FAs的組成和豐度研究了黃東海沉積物中3-OH-FAs的來(lái)源,并首次構(gòu)建了指示黃東海暖季底層海水溫度的新指標(biāo)和區(qū)域性校正公式。研究發(fā)現(xiàn),黃東海表層沉積物中反異構(gòu)3-OH-FAs含量較高,而長(zhǎng)鏈正構(gòu)/異構(gòu)3-OH-FAs含量較低,與土壤3-OH-FAs組成上的差異較大,表明黃東海表層沉積物3-OH-FAs主要源于海洋自生(圖3)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),3-OH-FAs溫度指標(biāo)與黃東海年均底層海水溫度BWT存在顯著負(fù)相關(guān)性且其相關(guān)性高于表層海水溫度,表明黃東海表層沉積物中的3-OH-FAs大部分來(lái)自底層海水微生物的生產(chǎn),記錄了底層海水溫度的變化;同時(shí)溫度指標(biāo)RAI15指標(biāo)與夏秋季BWT的相關(guān)性更為顯著(圖4),顯示暖季底層海水細(xì)菌的原位生產(chǎn)對(duì)表層沉積物的貢獻(xiàn)更大。與傳統(tǒng)指標(biāo)相比,RAI15指標(biāo)對(duì)暖季BWT的重建更加準(zhǔn)確(RMSE = 1.74 ),是極有潛力的海水溫度代用指標(biāo)。

圖3 黃東海和北太平洋表層沉積物與土壤中3-OH-FAs的分布

圖4 黃東海表層沉積物3-OH-FAs 之RAN15與不同季節(jié)底層海水溫度之間的關(guān)系
論文第一作者分別為中國(guó)科學(xué)院海洋研究所泮楓敏博士和尹美玲博士研究生, 宋金明、袁華茂和段麗琴分別為論文通訊作者。
論文信息:
Fengmin Pan, Huamao Yuan, Jinming Song, Qingzhen Yao, Xuegang Li, Liqin Duan, Jianwei Xing. 2023. 3-Hydroxy fatty acids as proxies for seawater temperature and pH in the eastern China marginal seas. Chemical Geology, 617: 121258. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2023.121358
Yin Meiling, Song inming, Duan Lliqin, Yuan Huamao, Li Xuegang, Peng Quancai, 2023. North-south differences in hypoxia and nitrogen cycle of the East China Sea over the last century indicated by sedimentary bacteriohopanepolyols. Chemical Geology, 620: 121340. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2023.121340
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