【視點】氨基糖對東海顆粒和沉積有機質成巖作用的指示

2021-01-19 天然有機質研究情報

「編者在20年2月7日文獻情報關注到中國科學院海洋研究所宋金明研究員和袁華茂研究員團隊關於氨基糖對東海顆粒和沉積物有機質成巖作用的指示研究，特邀袁老師和宋老師為本公眾號撰寫了該研究的亮點部分，一方面，豐富天然有機質研究領域，尤其是氨基糖評估河口顆粒態和沉積物有機質季節變化的研究領域；另一方面，希望該團隊的研究成果能給關注者啟發，從中獲得靈感，促進天然有機質研究工作的開展。」


導讀

陸架邊緣海是有機質產生、礦化和埋藏的重要場所，海洋中90%以上的有機質沉積於此並在早期成巖作用過程中礦化，因此深入研究陸架邊緣海有機質的生物活性和降解過程將有助於對全球海洋碳循環過程的理解。氨基糖是海洋浮遊生物以及細菌細胞壁肽聚糖的基本組成單元，其含量、組成和結構等賦存特徵可用於海洋有機質來源、轉化和降解的指示。海洋環境中氨基糖的活性一般高於總有機碳庫，因此隨著有機質的降解，其對總有機碳、總氮的貢獻（%THAS-TOC和%THAS-TN）不斷降低。葡萄糖胺(GlcN)和半乳糖胺(GalN)是海洋中含量最豐富的兩種氨基糖，海洋浮遊生物中GlcN/GalN比值通常高於8，而細菌來源的GlcN/GalN比值約為1-3，因此GlcN/GalN可用於指示海洋有機質的來源及細菌對有機質的降解和改造程度。胞壁酸(MurA)是一類僅存在於細菌細胞壁的氨基糖，在細菌死亡後快速分解，因此胞壁酸被作為活的或新近死亡細菌的一類特異性生物標誌物，可用於估算細菌有機質的貢獻。目前氨基糖指標已應用於大洋、近岸以及缺氧環境中顆粒物和沉積物有機質的降解和細菌再改造過程的指示，但在我國近海有機質降解過程中的指示作用的研究有限。


本研究通過分析不同季節長江口鄰近海域顆粒物和東海內陸架表層沉積物中氨基糖的分布及組成特徵，解析了該海域顆粒物和沉積物中有機質的來源、活性及降解狀態，並估算了細菌源有機質對總有機質的貢獻率。


研究發現浮遊生物和細菌是長江口水體顆粒物中有機質的重要來源，顆粒物中較高的氨基糖指標如GlcN/GalN，碳、氮歸一化含量%THAS-TOC和%THAS-TN均指示了具有較高初級生產力或藻華發生海域顆粒有機質較強的浮遊生物來源特徵，同時較高的MurA含量還表明了細菌對長江口顆粒有機碳具有較大貢獻。從春季到秋季，長江口附近海域近岸顆粒物中GlcN/GalN、%THAS-TOC出現降低（圖1），指示了其顆粒有機質從浮遊生物和細菌的混合來源向細菌來源為主進行轉變，而秋季升高的%THAS-TN及水體較低的溶解氧則表明顆粒有機質在秋季出現了一定程度的降解。整體而言，秋季相比春季顆粒有機質具有更高的降解程度和更高的細菌有機碳貢獻率，體現了秋季顆粒有機質的礦化再生作用，但局部初級生產力的提高（CJ-4站位），導致新鮮浮遊生物有機質的摻入，同時提高了細菌有機質的貢獻，整體增加了顆粒有機質的生物可利用性。根據MurA估算，春季和秋季新鮮細菌有機質分別佔長江口典型斷面顆粒有機碳10.8±3.7%和40.5±19.1%，表明細菌對長江口顆粒有機碳具有較大貢獻，且秋季的貢獻更為明顯。


▲ 春季和秋季長江口CJ斷面顆粒物中氨基糖，碳、氮歸一化產率及GlcN/GalN變化特徵（來源：Elsevier）


東海內陸架所有站位表層沉積物中GlcN/GalN在夏、秋季均小於2，低於顆粒物中的GlcN/GalN，表明顆粒有機質沉降進入表層沉積物後經歷了進一步的降解過程，細菌是東海內陸架表層沉積物有機質的重要來源。表層沉積物中%AS-OC和%AS-N高於細菌中的特徵值，同樣也說明表層沉積物中的有機質經歷了一定程度的降解。近岸泥質區相比於遠岸非泥質區具有更高的有機質含量， GlcN/GalN和MurA含量以及更低的GlcN/MurA，表明泥質區有機質中含有更多新鮮的浮遊生物和細菌有機質。秋季相比於夏季，東海泥質區水體葉綠素a含量降低，沉積物中有機碳、氮含量下降，同時GlcN/GalN略有降低，MurA含量升高，說明夏季水體沉降至表層沉積物的有機質在秋季逐漸轉變為細菌有機質，並且這種來源的變化在生產力較高的近岸更為明顯，表明近岸水體顆粒物的沉降對表層沉積物有機質的組成具有重要影響。根據MurA估算，東海內陸架表層沉積物中新鮮細菌有機質對有機碳的貢獻率在春季和秋季分別為13.1±6.4%和28.5±17.9%，具有秋季高於春季，近岸泥質區高於遠岸非泥質區的特徵。


▲ 夏季和秋季東海內陸架表層沉積物中氨基糖，GlcN/GalN 和 GlcN/Mur的變化特徵（來源：Elsevier）




[1]  Ren, C.Z., Yuan H.M., Song J.M., Duan L.Q., Li X.G.,Li N., Zhou B. 2020. The use of amino sugars for assessing seasonal dynamics ofparticulate organic matter in the Yangtze River estuary. Marine Chemistry220:103763[2]   Ren, C.Z., Yuan H.M., Song J.M., Duan L.Q., Li X.G.,Li N., Zhou B. 2019. Amino sugars as indicator of organic matters source anddiagenesis in the surface sediments of the East China Sea. EcologicalIndicators 97:111-119.



宋金明，研究員，中國科學院海洋研究所，Email：jmsong@qdio.ac.cn

袁華茂，研究員，中國科學院海洋研究所，Email：yuanhuamao@qdio.ac.cn



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