海洋所構建中國東部邊緣海溫度反演微生物四醚膜脂指示新體系
近日,中國科學院海洋研究所海洋生源物質循環(huán)與碳匯過程研究團隊在Chemical Geology發(fā)表兩篇微生物四醚膜脂對中國東部邊緣海海水溫度指示作用的研究成果,揭示了中國東部邊緣海沉積物中古菌羥基化甘油二烷基甘油四醚(OH-isoGDGTs)以及細菌支鏈甘油二烷基甘油四醚(brGDGTs)的來源,在此基礎上,構建了適合中國東部邊緣海海水溫度反演的微生物四醚膜脂指示新體系,為在全球變化背景下邊緣海水溫度重建提供了新的視角。
海水溫度重建是古海洋學研究的核心內容之一,也是理解全球氣候演變及生態(tài)環(huán)境響應的關鍵一環(huán)。OH-isoGDGTs作為一類新型古菌膜脂isoGDGTs,因其主要來源于海洋自生古菌且對陸源輸入敏感性較低,展現(xiàn)出作為邊緣海溫度指標的潛力。支鏈甘油二烷基甘油四醚(brGDGTs)是細菌膜脂中的一種四醚化合物,其甲基化程度通常隨溫度升高而降低,同樣是極具潛力的海水溫度代用指示物。近年來,基于微生物四醚膜脂的溫度指標雖廣泛應用于古海洋溫度重建,但在受陸源輸入影響的邊緣海,其可靠性除受陸源輸入影響外,還受到異構體效應、季節(jié)性和不同水層生產(chǎn)偏好等因素的干擾,限制了其作為邊緣海海水溫度代用指標的準確應用。
針對上述問題,研究團隊分別對中國土壤及東部邊緣海懸浮顆粒物、表層沉積物中的OH-isoGDGTs和brGDGTs進行了綜合研究。發(fā)現(xiàn)OH-isoGDGTs濃度在水體中隨深度增加而顯著升高,底層水體濃度平均為表層的1.9倍。沉積物中OH-isoGDGTs組成與底層水體顆粒物高度相似,而與表層水體差異顯著,表明沉積物中的OH-isoGDGTs主要來源于底層水體古菌的生產(chǎn)與沉降(圖1,2)。基于沉積OH-isoGDGTs的系列溫度指標(如RI-OH、RI-OH′、OHC和TEX86OH等)與底層海水溫度的相關性顯著優(yōu)于表層海水溫度,且與夏、秋季溫度關系最為密切?;诖?,新構建了4個暖季底層海水溫度的區(qū)域重建公式,其中RI-OH指標重建誤差最低(RMSE僅1.40 °C),顯著優(yōu)于傳統(tǒng)TEX86系列指標(圖3)。

圖1 OH-isoGDGTs在中國東部邊緣海表層沉積物與上覆水體中的分布特征

圖2 中國東部邊緣海沉積OH-isoGDGTs的濃度、相關代用指標分布以及年均表、底層海水溫度分布

圖3 OH-isoGDGTs指標重建暖季底層海水溫度的偏差,虛線代表RMSE,即1.4 ℃
海洋自生對研究海域沉積brGDGTs的貢獻介于33.2%~59.6%,高值出現(xiàn)于渤海(圖4)。與5-甲基異構體相比,6-甲基brGDGTs的甲基化指數(shù)更加有效地記錄了海水溫度的變化(圖5)。此外,由于研究區(qū)域海水溫度全年保持在冰點以上并支持持續(xù)的brGDGTs生產(chǎn),沉積brGDGTs重建溫度為年均而非季節(jié)性海水溫度。同時,由于深層brGDGTs貢獻較小,沉積brGDGTs主要記錄表層海水溫度?;陔p環(huán)6-甲基brGDGTs與海水溫度之間的響應關系,研究建立了適用于中國邊緣海的溫度指標MBT’6Me-c,該指標受陸源輸入干擾較小,是重建邊緣海年均表層海水溫度的可靠工具。

圖4 中國東部邊緣海沉積物brGDGTs的來源(CR,長江;YR,黃河)

圖5 中國東部邊緣海沉積物brGDGTs指標MBT'6Me-c與海水溫度的相關性
微生物四醚膜脂在中國東部邊緣海海水溫度的差異化指示作用可能源于古菌和細菌在邊緣海不同水層的生態(tài)位差異。在表層,以NH4-N為底物的氨氧化古菌難以與浮游植物競爭NH4-N。浮游植物消耗NH4-N的同時產(chǎn)生的新鮮有機物可被異養(yǎng)細菌迅速利用,刺激了表層異養(yǎng)細菌的生產(chǎn)。此外,表層相對強烈的太陽輻射也對氨氧化古菌的生長產(chǎn)生了負面影響。在底層,由于光照限制與浮游植物競爭的脅迫減弱,沉積顆粒有機物礦化釋放的NH4-N可被氨氧化古菌用來介導硝化過程,氨氧化古菌特征性氨單加氧酶基因(amoA)定量分析的研究結果也證明了底層更高的氨氧化古菌豐度。這一新發(fā)現(xiàn)對揭示邊緣海水溫度變化及預測未來氣候變暖下的海洋響應具有重要科學意義。
兩篇論文的第一作者分別為中國科學院海洋研究所泮楓敏特別研究助理和王愉寧博士研究生,袁華茂研究員和宋金明研究員為論文的共同通訊作者,李學剛、段麗琴、王啟棟以及海洋一所陳軍輝等為論文共同作者。研究得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金等項目資助。
論文信息:
Pan F?M, Yuan H?M*, Song J?M*, Li X?G, Duan L?Q, Wang Y?Q. 2025. BrGDGTs sources in eastern China marginal seas and their constraints on seawater temperature reconstruction. Chemical Geology, 676: 122624. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2025.122624.
Wang Y N, Yuan H M*, Song J M*, Chen J H, Pan F M, Wang Q D, Li X G, Duan L Q, Li N, Wang Y Q. 2025. OH-isoGDGTs as a paleothermometer for bottom seawater temperature in the eastern China marginal seas. Chemical Geology, 683: 122768. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2025.122768.
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