距今2.52亿年前后的生物地球化学循环与海洋生态系统崩溃:对现代海洋的启示

在2.52亿年前的二叠纪-三叠纪之交,海洋系统出现了海水表面温度的快速升高、最严重的动物大灭绝和生物地球化学循环的变化,这对研究现代海洋生态系统具有很好的启示意义.随着当时阶段性的全球变暖,海洋系统碳、氮和硫的地球化学循环从动物大灭绝前的解耦关系转变到大灭绝期间的耦合关系.后者又从动物大灭绝第一幕的碳与氮的耦合关系转变到大灭绝第二幕的碳、氮和硫的耦合关系,显示了海洋环境和动物危机不断加剧的变化过程.也就是说,当海洋从第一幕的缺氧发展到第二幕的硫化时,生态系统就从生物危机发展到生态危机.元素循环耦合关系的出现说明了在当时的海洋系统中以几种主要的循环途径占主导,参与元素循环的途径多样性明显在降低.这一解剖案例显示了元素地球化学循环的变化可以很好地指示了地质时期全球变暖所引发的海洋生态系统的阶段性崩塌.实际上,地质环境中元素循环的这种耦合/解耦关系与环境条件有密切关系,而这种环境条件又影响生态系统(如缺氧导致生物大灭绝、硫化导致生态系结构转变).在现代海洋系统,全球变暖所引发的碳和氮的耦合关系已经在局部海区出现.如果这种耦合关系进一步发展到全球规模,就会出现碳、氮和硫的耦合关系,海洋生态系统将会出现严重危机.     

海洋微型生物碳泵理论的发展与展望

微生物是驱动海洋元素循环的主体,在调节全球气候变化中起着重要作用.近半个世纪海洋研究的一个谜团就是"为什么有着一个相当于大气CO2碳总量的惰性溶解有机碳(Recalcitrant Dissolved Organic Carbon, RDOC)库在海洋中长期存在?".生物泵(Biological Pump, BP)和微食物环(Microbial Loop, ML)研究加深了我们对生物在海洋碳循环中作用的理解,但直到微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump, MCP)理论的提出,才真正阐释了海洋惰性溶解有机碳来源和存储的生物地球化学机制. MCP是由微型生物介导的溶解有机碳(非沉降)转化和迁移的海洋储碳新机制,提出了RDOC产生的3个重要途径:(1)微型生物特别是异氧细菌和古菌在有机质降解代谢过程中改造并分泌RDOC;(2)病毒颗粒裂解宿主导致细胞的死亡并释放RDOC;(3)原生动物等捕食者摄食微型生物并释放RDOC. MCP揭示了海洋RDOC的惰性机制,定义了两类RDOC组分(RDOCc和RDOCt),为调节气候和改善生态环境提供了可验证的理论.为纪念中国科学家在海洋碳循环领域的突出贡献,文章在回顾海洋微型生物与碳循环相关研究基础上,系统总结并讨论了MCP理论提出以来中国在此领域的国际引领地位和影响力,并展望了未来研究的方向.     

厌氧铵氧化细菌的科学发现及启示——利用科学原理指引科学发现和推动科学发展的经典范例

厌氧铵氧化(anaerobic ammonium oxidation;anammox)是20世纪末被发现的氮循环新途径,这一重大发现不仅改变了生物代谢与物质循环的经典理论,而且深刻影响了对生物能量来源的认识,无光深海这个巨大的空间又多了一个可以进行化能自养"固碳"的微生物新成员.如果说海底热泉自养生物的发现是对"万物生长靠太阳"这一古训的挑战,广布于各种缺氧环境的anammox细菌的发现则可以说是对这一古训的完胜.anammox细菌以NO2?为最终电子受体氧化NH4+,生成N2,与反硝化微生物相似,在环境中行使着无机氮去除这一生物地球化学作用.然而,与异养的反硝化细菌不同,anammox细菌为无机化能自养细菌,从铵的厌氧氧化中获得代谢能形成跨膜质子驱动力(proton motive force;pmf)并合成细胞储能分子—三磷酸腺苷(ATP),进而进行无机碳固定.虽然anammox细菌与随后发现的另一极其重要的海洋氮素转化微生物—氨氧化古菌(AOA)—皆为化能自养微生物,但是,AOA以氨(而非铵根离子)为电子供体并以O2为最终电子受体进行能量代谢.因此,AOA生态过程主要发生在含氧的海水和沉积物中,而anammox细菌在缺氧的海水和沉积物中分布广泛,并在一些典型海洋极端环境中(如深海热液和海底冷泉)也有存在.一些研究显示,海洋中30%~70%氮气的产生可能源于anammox过程.在含氮污水处理工程领域,anammox构成了一种崭新的低能耗、低成本、高效率和节能减排技术.然而,这一科学发现来之不易,早在20世纪60年代就有科学家根据海洋地球化学观测数据提出了anammox这一生物地球化学过程存在的可能性,在20世纪70年代,有科学家根据化学反应热动力学原理,预测anammox细菌的存在,但在随后的十几年时间,该类微生物却一直没有被发现.作为低氧和缺氧环境中广泛分布的一类重要的氮循环细菌,是什么因素阻碍了其发现?又是什么因素最终促成了它的发现?对这些问题的分析给科学研究带来怎样的启示?本文从海洋anammox细菌生理生态学基础和科学研究规律出发,对上述问题进行了分析阐释.     

海洋储碳机制及区域碳氮硫循环耦合对全球变化的响应

海洋储碳机制及区域碳氮硫循环耦合对全球变化的响应是全球变化及应对领域的关键研究主题之一,分析了全球变化过程中海洋储碳需要解决的4大前沿科学问题、需要重点开展的4项海洋储碳研究以及未来可能的突破点.     

浅水湖泊湖泛(黑水团)中的微生物生态学研究进展

"湖泛"是指湖泊水体中(包括沉积物)富含大量藻源性(或草源性)的生物质,在微生物的分解作用下,大量消耗氧气,出现厌氧分解,微生物在还原条件下,促进许多"黑臭"物质的形成,进而影响水质和湖泊生态系统结构与功能乃至造成环境灾难.与湖泛发生时的环境特征(如低溶解氧,低p H,高有机质,高总磷、总氮)相对应的是其简化的食物网结构和特殊的微生物类群.本文将主要针对湖泛中的微生物群落及其在物质循环中的作用展开综述.研究显示湖泛水体中主要微生物类群,如真菌、细菌厚壁菌门的梭菌以及产甲烷古菌等,在有机质的快速分解和厌氧矿化过程中发挥着重要作用;沉积物中主要的微生物功能群,如硫酸盐还原细菌、铁还原细菌、甲烷厌氧氧化菌和反硝化细菌等,是湖泛致黑物质形成的关键.缺氧及厌氧条件下碳、硫和铁等元素生物地球化学过程的相互关联以及多种微生物之间形成的互营共生可能是湖泛过程中功能微生物的重要特征.湖泛中微生物功能的进一步研究,亟需借鉴海洋低氧区及深海沉积物的经验,引用先进研究手段,提出可靠的生物地球化学证据.浅水湖泊湖泛(黑水团)中的微生物生态学探索将有助于从机理上揭示湖泛黑臭的成因.     

从微型生物功能类群研究到海洋储碳机制的新认识——方法创新带动科学发现的一个典型案例

海洋微型生物是海洋生物地球化学循环的主要驱动者,也是海洋能量代谢的主要参与者,在海洋生态系统中发挥着举足轻重的作用.好氧不产氧光合异养细菌(AAPB)是海洋中一类重要的功能类群,在海洋中广泛分布,它们可以利用光能补充自身的能量代谢,在海洋碳循环中发挥着重要而特殊的作用.在21世纪初,由于微型生物显微荧光定量方法的弊端,人们对于AAPB分布规律的认识存在着一定的偏差."时间序列红外荧光显微数字化方法"(TIREM)的建立,修正了AAPB定量偏差,揭示了海洋中AAPB分布的真正规律.之后,对AAPB生态分布调控因素的进一步研究表明:相对于光照,溶解有机碳(DOC)对AAPB绝对丰度和相对丰度的影响更重要.此认识推翻了"AAPB通过利用光能就可以赢得与普通异养细菌竞争"这一"想当然"的理论推测.而对AAPB碳源利用特点的研究表明,此功能类群具有重要的碳分馏作用,即AAPB在碳代谢过程中,部分碳源并非简单的沿着传统生物泵方向传递.在此基础上的海洋微型生物与DOC相互作用关系研究,最终导致海洋储碳新机制—微型生物碳泵(MCP)的提出,它解释了海洋中巨大溶解有机碳库存在的原因和机制,实现了海洋储碳机制理论上的新突破.     

贵州草海喀斯特高原湖泊湿地甲烷氧化菌群落特征及功能探析

草海是由喀斯特盆地积水发育而形成的一个完整的、典型的高原湖泊湿地生态系统,同时也是中国面积最大的岩溶构造湖.甲烷氧化菌作为一类能够将甲烷氧化为CO₂和水的独特微生物,其活动与生态系统中能量流动和元素循环的关键步骤密不可分.为了解贵州草海喀斯特高原湖泊湿地中甲烷氧化菌的群落结构特征及功能,利用宏基因组技术对浅水沼泽、莎草湿地、深水沉积物进行研究.结果表明,草海湿地中主要的好氧甲烷氧化菌为Methylobacter和Methylomonas,主要的厌氧甲烷氧化菌为Candidatus_Methylomirabilis_oxyfera,属于NC10门的反硝化型厌氧甲烷氧化菌.所研究的4种代谢功能基因种类多样性表现为碳代谢＞氮代谢＞硫代谢＞甲烷代谢;基于KEGG数据库共注释到6大类功能和18条与碳、甲烷、氮、硫相关的完整代谢路径.PCoA分析表明浅水沼泽和莎草湿地中甲烷氧化菌的种类和功能相似,且与深水沉积物存在差异.物种与功能相关性网络分析结果显示Methylacidiphilum_fumariolicum和Methylacidiphilum_kamchatkense与草海湖泊湿地中的各个代谢功能均具有较强的相关性.显著影响草海湿地中大多数甲烷氧化菌的群落结构的环境因素是硝酸盐、电导率、总磷和有机质.     

模拟成岩或低级变质作用对铁氧化菌席的影响

生存于微氧、近中性pH环境的铁氧化细菌所形成大量的螺旋柄状或长杆鞘状胞外聚合物有利于沉淀其环境中的铁氧化物,而这些胞外聚合物可被视为其地球微生物学标志.太古代晚期至早元古代的海洋是微氧富铁的环境,因此铁氧化代谢成为当时生物圈的重要组成部分,但与之相关的生物物质及铁矿化记录在经历漫长的地质演化后不可避免的发生变化而难以识别.本研究实验模拟了嗜中性微好氧铁氧化菌席可能经历的成岩作用,通过对比现代铁氧化细菌产生的胞外聚合物及铁氧化物在经历高温-高压前后的变化,揭示了生物物质-矿物体系在成岩作用中可能经历的变化过程.实验结果显示螺旋柄状物和长杆鞘状物以及铁氧化物球状聚合物在100MPa和300℃作用之后,其生物结构特征仍可以识别,表明微生物有机质-铁氧化物混合体系可能在地质记录中被一定程度的保存,为前寒武沉积记录中铁代谢的起源和演化的识别提供了参考.     

海洋异养细菌硝酸盐同化研究进展

硝酸盐同化是指把硝酸盐还原分解并最终合成自身所需的有机氮的过程.最近基于分子生物学的手段研究发现异养细菌的硝酸盐同化基因(nas A)普遍存在于海洋水体和沉积物中.比较基因组学揭示了硝酸盐同化系统的基因排列存在种间差别,基因调节系统具有多样性.对这类微生物及其作用过程进行系统的分析和总结不但有助于充分认识硝酸盐同化过程及其生态意义,更能深入了解异养细菌在氮循环过程中的重要作用.本文结合作者的工作,集中总结和讨论异养细菌同化硝酸盐有关的研究进展,认识异养细菌硝酸还原作用的具体过程及其生态意义,对未来该领域的研究起到引导作用.     

近海生态系统碳汇过程、调控机制及增汇模式

海洋是地球上最大的碳库,发挥着全球气候变化"缓冲器"的作用.蓝色碳汇,简称"蓝碳",即由海洋生态系统捕获的碳(主要是有机碳),是海洋储碳的重要机制之一.蓝碳最初认识的形式是可见的海岸带植物固碳.其实之前没有得到足够重视的、看不见的微型生物(浮游植物、细菌、古菌、病毒、原生动物)占海洋生物量9 0%以上,是蓝碳的主要贡献者.中国陆架边缘海占国土总面积的1/3,碳汇潜力巨大,亟待研发.本文以近海生态系统碳汇过程、调控机制及增汇模式为主线,论述了近海生态系统结构与碳循环功能特征、碳汇形成过程与机理,并结合近海碳汇在沉积记录中的地史过程演变探讨了自然过程和人类活动对碳汇的可能影响,展望了碳汇工程在增加近海海洋储碳能力方面的应用前景.     

湖泊氮素生物地球化学循环及微生物的作用

氮素是影响湖泊富营养化的关键元素之一,对湖泊中氮素生物地球化学循环整个过程进行全面的了解,有利于对湖泊富营养化进行控制和治理.本文综述了湖泊生态系统(特别是富营养化湖泊)中氮素的输入、输出及其在沉积物-水界面的迁移转化规律,着重分析和比较了藻型湖泊和草型湖泊的不同食物链中的氮素营养循环过程,重点讨论了微生物参与的硝化作用、反硝化作用、生物固氮和厌氧氨氧化等过程的最新研究进展,并对氮循环相关的研究方法和技术进行了小结.最后指出当前国内外研究中亟待解决的问题,并对湖泊氮循环今后的研究方向提出了建议.     

原绿球藻病毒研究进展——从多样性到生物地球化学过程

原绿球藻(Prochlorococcus)是地球上体积最小、丰度最高的光合自养生物.作为贫营养海区及大洋的优势微生物类群,原绿球藻是海洋初级生产力的重要组成部分和碳循环的重要贡献者.病毒对原绿球藻的生长、碳固定、进化、环境适应及生物地球化学意义等方面具有重要的影响.文章综述了原绿球藻病毒研究在研究方法、遗传多样性及其与宿主相互关系方面的研究成果,分析了原绿球藻病毒潜在的生物地球化学作用,并提出了研究展望,为海洋病毒及碳循环研究提供参考.     

中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的研究进展及其发展思路

涡度相关技术经过长期的理论发展和技术进步,已经成为直接测定陆地生态系统与大气间的CO2和水热通量的重要方法.随着涡度相关通量观测在全球范围内的广泛开展,各区域、国家以及国际通量观测研究网络(FLUXNET)也应运而生.在过去10年里,通量观测研究在探讨全球陆地生态系统碳循环和水循环过程及环境控制机理、揭示陆地生态系统碳收支的时空格局、寻找"未知碳汇"等方面取得了显著的成果,也为资源、生态和环境等科学领域的国际交流创造了理想的合作研究平台.随着通量观测研究的不断深入,今后国际通量界将加强引进和开发新的观测技术,扩展通量观测的应用领域,尝试运用通量观测数据来协助研究有关生物地理学、生物地球化学、生态水文学、气象/气候学、遥感和全球碳循环模型等领域的科学问题.中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)是FLUXNET的重要组成部分,经过3年多的连续观测和研究已在涡度相关通量观测技术和方法、典型陆地生态系统碳水交换过程及其环境响应机理、生态系统碳水通量模型开发等方面取得了一系列重要进展.研究发现中国的主要森林生态系统在2003～2005年度都为大气CO2的汇,青藏高原上的高寒草甸生态系统也表现为较弱的碳汇,而封育的内蒙古半干旱羊草草原却表现为弱的碳源;在大的空间尺度上,温度和水分是决定陆地生态系统碳收支的关键环境因子.ChinaFLUX的发展思路拟以典型生态系统通量的联网观测与陆地样带研究相结合为技术途径,开展多尺度、多过程、多途径、多学科的综合集成观测,重点探讨生态系统的水、碳、氮循环过程机理及其耦合关系.     

南海北部沉积物中单质硫颗粒的发现及意义

单质硫作为海洋沉积环境中硫循环的中间产物,对于研究硫的物质循环和同位素分馏过程均有重要的意义.本研究在对南海北部九龙甲烷礁海域沉积物中自生矿物进行显微形貌观察时,首次通过扫描电子显微镜和激光拉曼光谱等发现并确认了单质硫颗粒的存在.根据单质硫的显微形貌、分布、黄铁矿的含量和硫同位素组成等,获得如下认识:(1)单质硫颗粒的分布不仅与黄铁矿及其氧化物共存,而且与粘土矿物等共存,主要分布于矿物集合体的表层;(2)尽管单质硫颗粒在形貌上略有差异,但单质硫颗粒主要出现在硫酸盐-甲烷转换带内(SMTZ)及其附近深度的沉积物中;(3)单质硫颗粒的成因很可能是部分H2S被氧化的结果,其形成过程与SMTZ的变迁存在密切关系.甲烷等烃类气体的异常供给加剧了SMTZ内的甲烷厌氧氧化反应(AOM)所伴随的异化硫酸盐还原反应(DSR)的强度,大量H2S的生成促进了铁硫化物等自生矿物的沉淀,进一步提高了硫的循环效率,为单质硫颗粒的形成提供了有利的条件.南海北部九龙甲烷礁海域沉积物中单质硫颗粒的发现及其形成过程可能与该海域沉积物中甲烷渗漏通量的变化和SMTZ的变迁关系密切,也可能与该海域天然气水合物藏的演化存在一定关系.     

湖泊生态系统产甲烷与甲烷氧化微生物研究进展

湖泊生态系统是重要的大气甲烷来源,其甲烷释放量占全球自然生态系统的40%.产甲烷和甲烷氧化微生物在湖泊甲烷生产和消耗过程中发挥关键作用.本文综述了近期有关湖泊生态系统甲烷产生与氧化过程的研究进展,重点介绍产甲烷与甲烷氧化微生物在湖泊中的分布特征、代谢途径以及调控机制.现有研究表明,湖泊中甲烷的生成不仅仅依靠赋存于沉积物和水体厌氧层的产甲烷古菌,还可能来自有氧环境中其他产甲烷微生物的代谢作用.湖泊中的甲烷在脱离水体逸散至大气之前,被甲烷氧化微生物利用,转化成二氧化碳和小分子有机化合物(如甲醇、甲醛和甲酸等).除了传统依赖氧气作为电子受体的好氧氧化过程外,新近研究还揭示了多种厌氧甲烷氧化过程,包括依赖还原硫酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐以及Fe~(3+)/Mn~(4+)等金属离子的甲烷氧化过程.文献综合分析表明,反硝化型厌氧甲烷氧化过程主要发生在淡水湖泊中,而硫酸盐还原型主要发生在高盐度或者高碱度湖泊中.水体温度、溶解氧浓度可以显著影响产甲烷与甲烷氧化微生物的丰度与群落结构,其他湖泊环境条件,如盐度、pH和有机质类型等都可能改变产甲烷与甲烷氧化微生物的分布和代谢活性.不同湖泊类型的比较研究,有助于全面掌握影响湖泊产甲烷与甲烷氧化微生物的时空分布与代谢特征的主导因素.     

三峡消落带土壤-植物-微生物作用下的氮循环关键过程研究进展

流域氮污染问题是世界面临的共同难题,大型水利水电工程极大地改变了流域氮循环过程。三峡水库作为我国重要的优质淡水资源库,却面临着支流水华频繁暴发的水安全问题。如何有效削减氮污染并维持水库消落带生态系统的稳定性,是三峡水库生态安全运行中亟待解决的实际问题。水库消落带作为邻近水体的“生物地球化学循环热区”,在营养元素循环、面源污染截留、温室气体排放等过程中扮演着重要角色。随着生物信息学、分子生物学等新型研究手段在环境研究中广泛应用,氮循环过程与机理得到了更微观的诠释,氮循环功能微生物的多样性和生态位分化等方面的研究也取得了突出成果。本文基于对三峡水库消落带土壤-植物-微生物作用下的氮循环关键过程所开展的最新研究,结合消落带水陆交错的特殊环境条件,综述水库消落带中氮循环的关键过程和机理,分析水库消落带对流域水环境和温室气体排放的潜在影响,并对未来消落带亟待解决的问题做了进一步展望,以期为大型水库消落带生态系统的综合管理提供科学支撑。     

海洋环境中甲烷的生物转化及其对气候变化的影响

甲烷是潜在的高效清洁能源,同时也是重要的温室气体,对全球气候的变化和调节有重要影响.海底沉积物中蕴藏着大量的甲烷,主要包括有机质热裂解与生物成因气两种来源,一般以水合物的形式较为稳定地储存在深部沉积物中.海洋每年向大气中释放的甲烷仅占大气中甲烷总量的1～5%,海底大部分的甲烷被海洋中的甲烷代谢微生物消耗.海洋中甲烷的生物转化(微生物代谢)影响并控制了海洋释放到大气中的甲烷通量.在全球气候逐渐变暖的背景下,解析海洋环境中甲烷的生物转化机制有助于理解和评估海洋-大气甲烷通量对全球气候变化的影响.文章综述了海洋环境,尤其是海底沉积物中甲烷生物转化机制研究的最新研究进展,主要介绍已知甲烷代谢微生物的种类、分布和甲烷产生和氧化的代谢机制;探讨海洋中甲烷的生物转化对全球气候变化的影响,并且提出了甲烷代谢机制的未来研究方向和对其他科学研究的意义.     

海洋微型生物碳泵储碳机制及气候效应

海洋中存在一个巨大的惰性溶解有机碳(RDOC)库,可与大气CO2碳量相媲美.两个碳库之间的交换势必影响气候变化.RDOC可在海洋中保存数千年,构成了海洋储碳的重要机制.探寻RDOC碳库形成机制是认识海洋如何储碳的关键.新近提出的"海洋微型生物碳泵(Microbial Carbon Pump,MCP)"理论指出,海洋微型生物是RDOC碳库的主要贡献者.本文从MCP的主动机制和被动机制及其环境调控出发,论述了海洋RDOC的组成与生物来源,RDOC组分的微型生物代谢途径,病毒的裂解过程以及浮游动物活动对RDOC生产的贡献,不同类群微型生物有机碳代谢特征及其生物标记物与碳氢同位素表征,以及MCP的能量代谢特征与储碳效率,并结合MCP储碳的地史证据展望了MCP在增加海洋储碳能力方面的应用前景.     

论有机氮磷在湖泊水环境中的作用和重要性

长期以来,国内外学者对湖泊中氮磷等营养物质及其循环开展了大量研究,在其污染过程、控制和管理等方面取得了许多重要进展。然而,现有研究主要集中在总氮、总磷和无机氮磷等方面,对有机氮磷的来源、循环及生物和生态学效应的研究相对缺乏。近期研究显示:有机氮磷是湖泊水体和沉积物中的重要组分,可以通过酶解和微生物活动转化成生物可利用性营养盐,在湖泊生态系统中起着十分重要的作用。本文简要分析了有机氮磷已有的研究进展,论述了有机氮磷在湖泊水环境研究中的重要性、研究难点、主要技术突破及存在的科学问题,指出有机氮磷研究将有助于加深目前对水生态系统和富营养化机理的认识,并对水质标准制定、环境质量评价、污染控制和生态修复具有十分重要的价值。研究表明:在各种无机氮磷研究的基础上,开展各种有机氮磷等营养组分的时空分布特征、在主要界面的迁移转化及其生物有效性研究,揭示有机氮磷与湖泊生命过程的耦合关系,完善氮磷循环理论,将是未来该领域的主要研究方向。     

鄱阳湖苔草洲滩湿地土壤胞外酶活性和化学计量比的高程变化特征

土壤胞外酶参与土壤的生物化学过程,其活性和化学计量比能够反映土壤微生物的功能动态.然而,目前湿地生态系统中催化不同生物地球化学关键过程的土壤胞外酶的活性和化学计量比随高程的变化特征还不清楚.以鄱阳湖苔草洲滩湿地6个不同高程样带的表层土壤(0～10 cm)为研究对象,通过测定与土壤碳、氮、磷循环相关的7种水解酶的活性,分...