北极地区深海微生物研究进展及对策

对北极地区深海微生物研究进展进行了综述和展望分析,并提出强化我国北极深海微生物研究的对策,以期为相关研究和决策提供参考。综述表明北极深海微生物具有丰富的多样性,是数量巨大的遗传基因资源承载者,群落结构表现出显著的空间分布差异,在北极深海食物链中可能发挥着基础性作用。展望分析提出聚焦北极深海这一特殊的极端环境,开展微生物多样性和地理分布特征研究、新颖遗传生化功能挖掘以及多尺度生态系统下微生物与环境变化的研究具有重要意义和价值。建议我国顶层布局、构建北极深海微生物协同研究体系,提升专用配套仪器装备保障能力,全面推进相关研究工作。     

高通量深海海水原位采样及分级过滤系统

深海悬浮颗粒物((含浮游微生物)的研究具有重要意义,但深海大洋中多数海域悬浮物的丰度很低,其研究需要较多水样(一次过滤水样超过200L,甚至达到1000L以上),传统方法用采水器采水后甲板过滤费时费力。基于此,本文研制了一种高通量深海海水采样及分级过滤装置,装置包括总成深海泵、过滤装置、数据采集与控制装置,以及支撑架体、供电部件、连接机构和流量计等辅助部件。过滤装置分三级过滤(分别放置0.22、1和5μm孔径的滤膜,并可根据需要更换组合),控制装置采用深度触发和时间触发两种工作模式,并可配套安装CTD、荧光计等海洋环境参数测量设备。针对调查站点,将若干套(如3套)高通量深海海水采样及分级过滤系统分一定间隔悬挂于深海绞车缆线上,可以同步进行相应水层的海水原位过滤,从而形成多水层同步高通量原位多级过滤,以获取浮游微生物等悬浮颗粒物样品。该原位取样系统具有多层同步高通量过滤和分级采样的特点,现已被应用于海洋科考航次中,为深海悬浮颗粒物(含浮游微生物等)的研究提供了一种简约高效的样品获取方法。     

深渊生物资源取样装备技术体系研究

针对深渊生物资源研究的需求，自主研发了用于全海深深度的深渊沉积物、水体和宏生物的保压取样装置，深渊沉积物保压转移装置，深渊微生物原位过滤及保存装置和高压培养高压酶学测定装置。在深海模拟环境验证了取样装置在万米深度下的工作性能。相关装置在“探索一号”科考船的TS15、TS21-1和TS21-2大洋科考航次中，搭载“奋斗者”号载人潜器、“2号”深渊着陆器、“原位实验”号着陆器于西菲律宾盆区和马里亚纳海沟进行了海上试验，成功获取了万米深度沉积物、水体和宏生物保压样品以及微生物原位过滤滤膜；成功进行了沉积物保压样品的保压转移试验。初步形成了深渊海域生物资源取样的装备技术体系，为深渊海底生物和基因资源开发，深渊生命过程等科学研究提供技术手段。     

海山微生物多样性研究进展

随着深海海山区域生物多样性的发现,人们越来越关注深海微生物的研究。海山山脉火山活跃部分具有非常广泛的特殊微生物栖息环境,因此成为人们研究海山微生物多样性的热点。但从现有报道来看,我们对海山微生物的了解还很少。作者主要针对海山、尤其是西太平洋深海海山的类型及其微生物群落(包括对铁、硫循环起指示作用的特殊群落)的研究进展进行综述。在这些研究中,通过基于SSU rDNA克隆测序、T-RFLP、系统发育比较等培养与非培养分析手段发现,西太平洋深海火山活跃海山周围具有比较高的环境多样性与特殊微生物类群多样性,其中ζ变形菌纲(ζ-proteobacteria)和/或ε变形菌纲(ε-proteobacteria)微生物是最普遍的类别。这些研究对于进一步开展其他海山的地质形成过程及微生物栖息环境与类群研究具有较大的指导意义。     

深海微生物研究进展

海洋占地球表面的70 %以上 ,虽然与陆地的某些生态环境相比 ,海水 ,尤其是深海 ,营养相对贫乏 ,微生物活动不是十分剧烈 ,但从海水表面到108600m深的海底淤泥中都存在着微生物。近年来 ,海洋微生物的研究日益被重视 ,对海洋微生物的生态调查、生理和遗传特征以及开发利用都有许多研究[1～3]。深海是一个特殊的生态环境 ,这里永久低温 (火山口除外)、高压、黑暗。对深海微生物的研究不仅有助于了解生命的起源 ,而且可以了解各种极端微生物的生活特性 ,有助于对深海微生物资源的开发利用。1深海生态环境的特征深海一般指1000m以下的海洋 ,占地…     

海洋微塑料污染与塑料降解微生物研究进展

塑料垃圾在近海、大洋水体和沉积物中均广泛存在,并不断累积,对海洋生态系统构成了重大威胁,引起了国际社会的高度关注。本研究从环境生态和塑料降解微生物两个角度回顾了近几年相关方向上的研究进展,包括国内外海洋塑料特别是海洋微塑料在近海与深海等环境中的分布与丰度,以及近海、大洋等环境中降解菌多样性及其降解机制。总体而言,微塑料广泛分布在多种海洋环境,特别是在河口和近海的海水和沉积物,近岸沙滩,以及大洋环流中心;目前已报道的塑料降解菌及其降解酶主要来自陆地土壤和塑料垃圾处理环境,并以聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate,PET)降解菌和降解酶的研究最为深入。当前,中国科学家已在近海、大洋深海(深渊)以及极地等大洋环境中,开展了微塑料分布特征和丰度调查,并在生态危害方面开展了研究,但在海洋塑料降解微生物方面还鲜有报道。塑料在海洋环境中的最终归宿以及微生物在塑料降解过程中的作用亟待评估,建议在大洋深海科考中整体布局、联合开展这两个方面的相关研究。     

东太平洋海隆深海热液区沉积物微生物多样性的研究

提取东太平洋海隆区深海热液系统沉积物样品的总DNA,构建沉积物中的细菌16S rDNA 克隆文库,通过PCR-RFLP分析与序列测定,对沉积物中的微生物类群及其与环境的关系进行了分析.结果表明,该海区沉积物中的36个克隆代表的22种基因型分别属于7个主要类群,其中变形菌(Proteobacteria)的γ-亚群为优势菌群,α-和β-亚群也均有分布;而硫氧化相关共生菌的属(sulfur-oxidizing symbionts)为优势种属.系统发育分析表明,在该沉积物中细菌主要是跟共生有关、跟C、S代谢相关,大多还能在无氧和高温环境的条件下生存,说明采样点具有典型的深海热液生态系统的特点,甲烷代谢和硫代谢在该区域的深海物质能量循环中占据着重要地位.另外大量新的极端微生物的存在,预示着该区域的微生物资源有着非常大的开发潜力.     

南海深海生物多样性国际研究态势与热点分析

南海是西太平洋边缘海,有陆架、陆坡、岛礁、深海平原、海山、冷泉等多种生境,近10年来南海逐渐成为世界深海研究的热点。南海是中国海洋生物多样性最高的区域,与作为海洋生物多样性中心的印太珊瑚大三角区具有一定的环境与生物连通性,对南海的深海生物探测研究可丰富对西太平洋及印太交汇区生物多样性及地理分布格局的认知。目前有关南海的生物多样性研究主要集中在北部陆架浅海及岛礁,对于深海生物多样性认知明显不足。本研究梳理了全球深海生物多样性的主要国际战略布局,并对南海深海生物多样性SCIE论文发表情况进行了综合分析,探讨了南海深海生物多样性研究态势,对未来南海深海生物多样性调查与研究提出了研究展望和建议。     

深海热液口大型底栖生物遗传多样性的研究进展

深海热液口及其生物群落自1977年发现以来,受到海洋生物学界的广泛关注。近年来伴随深海调查技术的进步,大量热液生物群落相继被发现,并在生物地理学、生态学和生物多样性方面取得了显著的进展。目前,受采样不足及分类学研究的限制,针对深海热液口的遗传多样性研究多集中于大型底栖生物。本文拟对该领域的研究成果进行简要综述,以期加深对深海热液口大型底栖生物的物种分布模式、扩散途径及群体连通性的认识,为深海热液口生物多样性的研究提供新视角。     

深海嗜热异化铁还原菌Caloranaerobacter ferrireducens DY22619T对不同铁氧化物的铁还原特性

异化铁还原微生物在铁元素的地球化学循环中具有重要意义。深海热液活动是大洋铁元素的重要来源,目前深海热液环境中铁代谢相关微生物研究很少。本文对一株分离自深海热液区的嗜热异化铁还原菌新种Caloranaerobacter ferrireducens DY22619T的铁还原特性进行分析,比较了该菌对无定形羟基氧化铁、无定形铁氧化物和针铁矿3种不同铁氧化物的铁还原速率;并利用透射电镜对矿化产物进行矿物形貌、组成元素和晶型的分析。研究发现该菌生长在指数期至稳定期时,铁还原速率最快,其中对无定形羟基氧化铁和无定形铁氧化物的还原速率较高,达2.82 μmol/h和2.15 μmol/h;透射电镜结果表明,该菌可将3种不同胞外铁氧化物均还原矿化形成颗粒状磁铁矿,由针铁矿矿化形成的磁铁矿少但粒径最大,而由无定形铁氧化物形成的磁铁矿晶面不同于另外两种铁氧化物。结果表明,该菌有很强的铁还原和矿化能力,能厌氧呼吸还原三价铁氧化物,但是铁氧化物的性质对该菌胞外铁还原能力和矿化形成的磁铁矿的性质有重要影响。本研究为认识深海热液环境中异化铁还原菌在铁元素的地球化学循环和生物成矿过程提供了参考。     

基于深海运载器的小型岩芯取样钻机发展现状分析

深海岩芯取样钻机是开展海洋科学研究、深海资源探测和海底地质取样所必备的关键性装备,随着深海运载器的大规模应用,利用运载器优势发展深海运载器小型岩芯取样探测技术得到了国内外学者的关注,并形成了研究热点方向。在深海运载器作业工具应用认识基础上,首次聚焦运载器岩芯取样钻机研究,对国内外运载器岩芯取样钻机的发展现状、技术特点进行了全面综述。同时,基于"蛟龙"号岩芯钻机研制及应用经验,讨论了发展运载器岩芯取样钻机的关键技术。最后总结了后续发展方向,以期为我国深海运载器岩芯钻机的研发和应用提供技术参考。     

深海超长沉积物柱状取样系统关键技术优化及应用

作为深海科学研究的重要基础装备,深海超长沉积物柱状取样系统在海底地形地貌、海洋地质构造、气候环境变化等研究领域发挥了重要作用,其在海底矿产资源勘探、海洋工程地质勘察等方面展现了巨大应用价值。针对传统超长柱状沉积物取样系统在作业过程中存在的盲目采样、安全隐患大、甲板作业空间受限等问题,自主研制了一套适用于深海的超长可控可视沉积物柱状取样系统,该系统具有液压锤击、立式收放和实时监控功能,能获取连续、超长、具有精准姿态方位信息的柱状沉积物样品。现通过对独立排缆方式、取样管快速拆装、样品封堵、低扰动取样刀头等关键技术细节进行优化,解决了样品扰动大、取样率低的问题,提高了取样作业效率与样品质量,且降低了作业安全风险。2017—2021年,该取样系统搭载不同母船在南海1 700,1 725 和1 778 m水深分别获取了15.25、16.01和15.83 m的长柱状沉积物样品。该设备的成熟应用,可为我国深海探测研究提供技术支持。     

近40年来对南海化学海洋学研究的新认知

作为西太平洋最大的边缘海, 南海在全球海洋和海洋学研究中占有重要地位。近40年来, 南海的化学海洋学研究取得了大量系统的新发现、新认识, 提出了不少新的理论观点, 对全球海洋学的发展进步做出了重要贡献。研究发现了南海次表层存在以海水亚硝酸盐为代表的生态环境参数极值现象, 不同参数水层深度范围不同, 由此形成的跃层生态系统有着与其他生态系统显著不同的特点。从系统研究获知, 南海碳循环过程十分复杂, 生物作用下的生物泵过程以及碳源汇区域和季节变化巨大, 南海碳源汇在不同的区域不同的时间的性质和强度迥异, 全年尺度上总体表现为大气二氧化碳的弱源。南海北部的珠江口邻近海域和深海盆的生态环境特征与化学物质循环和陆架边缘海、珊瑚礁等密切相关, 但又与陆架边缘海、珊瑚礁等显著不同, 表现为珠江口底层存在缺氧现象, 珠江口海域是一个以缺氧为特征的生态脆弱区。在系统认识南沙珊瑚礁生态系统物质循环快速、生物过程控制着化学物质的垂直转移的基础上, 提出了维持珊瑚礁生态系统高生产力的新机制——“拟流网理论”。对南海沉积物化学的系统研究认识到, 沉积物-水体化学物质循环有密切的耦合关系, 南海珊瑚礁或沉积岩心化学物质分布变化可反演其历史变化, 如南海冰期表层海水古生产力为间冰期的1.6倍; 晚中新世南海南部发生了一次“生物勃发事件”, 其生产力主要受季风和陆源营养物质输入量影响; 东北季风与西南季风在不同区域其影响程度不同等。40年来南海化学海洋学研究的这些新发现和新认识对系统揭示南海的海洋学过程奠定了强有力的基础, 未来南海化学海洋学研究也必将为南海资源环境的可持续利用提供科学支撑。     

In situ cultivation of deep-sea water with bicarbonate fueled a different microbial community

Some deep-sea microbes may incorporate inorganic carbon to reduce CO₂ emission to upper layer and atmosphere. How the microbial inhabitants can be affected under addition of bicarbonate has not been studied using in situ fixed and lysed samples. In this study, we cultivated 40 L natural bottom water at ~1 000 m depth with a final concentration of 0.1 mmol/L bicarbonate for 40 min and applied multiple in situ nucleic acids collection (MISNAC) apparatus for nucleic acids extraction from the cultivation. Our classification result of the cultivation sample showed a distinct microbial community structure, compared with the samples obtained by Niskin bottle and six working units of MISNAC. Except for notable enrichment of Alteromonas, we detected prevalence of Asprobacter, Ilumatobacter and Saccharimonadales in the cultivation. Deep-sea lineages of Euryarchaeota, SAR406, SAR202 and SAR324 were almost completely absent from the cultivation and Niskin samples. This study revealed the dominant microbes affected by bicarbonate addition and Niskin sampling, which suggested rapid responses of deep-sea microbes to the environmental changes.     

基于R-FCN_ResNet的深海冷泉区生物的识别与分布研究

针对深海冷泉生物数量多、密度大、特征低，人工识别它们的种类和数取它们的数量耗时费力且准确度低这一问题，利用残差学习块，改进了基于区域的全卷积网络算法，用以深海冷泉生物的自动识别与检测。首先，构建了一组包括5类目标生物的深海冷泉生物图像目标检测数据集；然后，在TensorFlow框架下对比了R-FCN_ResNet、Faster R-CNN和SSD_MobileNet三种典型的卷积神经网络算法。从训练耗损时间、平均检测速度、平均置信度三方面权衡，突出了R-FCN_ResNet模型的优势；最后，将测试集图片输入至该模型中检测深海冷泉生物的种类和数量，并且以此复现了生物的分布情况。实验证明，所提方法结合本文数据集进行的深海冷泉生物识别与分布研究，是有效可行的，且具有较高的目标分类和定位准确率。     

Effects of Direct Ocean CO<Subscript>2</Subscript> Injection on Deep-Sea Meiofauna

Purposeful deep-sea carbon dioxide sequestration by direct injection of liquid CO₂ into the deep waters of the ocean has the potential to mitigate the rapid rise in atmospheric levels of greenhouse gases. One issue of concern for this carbon sequestration option is the impact of changes in seawater chemistry caused by CO₂ injection on deep-sea ecosystems. The effects of deep-sea carbon dioxide injection on infaunal deep-sea organisms were evaluated during a field experiment in 3600 m depth off California, in which liquid CO₂ was released on the seafloor. Exposure to the dissolution plume emanating from the liquid CO₂ resulted in high rates of mortality for flagellates, amoebae, and nematodes inhabiting sediments in close proximity to sites of CO₂ release. Results from this study indicate that large changes in seawater chemistry (i.e. pH reductions of ∼0.5–1.0 pH units) near CO₂ release sites will cause high mortality rates for nearby infaunal deep-sea communities. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

In situ experimentation at the water/sediment interface in the deep sea: 1. Submersible experimental instrumentation developed for sampling and incubation

In order to make progress in the study of processes in deep-sea ecosystems, we have developed a strategy for the use of submersibles in conjunction with free vehicles. The BIOCYAN programme, which was conducted by French oceanographers at a permanent station in the Bay of Biscay, involved the use of submersibles for benthic ecological studies. It lead to the development of a variety of equipment for sampling and experimental studies. The submersible Cyana has a limited equipment workload, so the initial step was to develop a free vehicle which could function as a shuttle to act as an independent transport for equipment to be used from the submersible. Two other devices have been developed for sampling with precision the surficial layers of the sediment, one of which can be used in conjunction with an injection module to measure rates of processes in situ by incubations, following injection with labelled substrates. These devices, the free-lift shuttle, tube corers, a blade box corer and the associated injection module are described.     

印太交汇区海洋鱼类多样性格局与演化研究进展

印太交汇区不仅是热带物理海洋海气能量汇聚中心、地质板块活跃中心以及生物多样性中心,而且也是用于开展地球系统物质能量交换与全球气候变化以及海洋生物多样性起源研究的理想靶区,因此一直受到世界科学家们的广泛关注。作为全球34个生物多样性热点区域之一,印太交汇区的珊瑚礁三角区孕育了全球76%的造礁珊瑚、75%的红树林、50%的珊瑚礁鱼类和45%的海草物种数。鱼类是珊瑚礁生态系统中最重要的组成部分之一,在整个印度-太平洋海域中珊瑚礁群落的组成和维持中起到重要作用。过去,生物学家们围绕热带珊瑚礁鱼类多样性格局与演化做了大量工作,提出了许多生物地理学假说模型,如中心物种形成模型、汇聚中心模型、重叠中心模型和华莱氏线假说等,这些假说在一些珊瑚礁鱼类类群得到验证。但是,相对于印太交汇区的热带珊瑚礁鱼类多样性研究,深海的鱼类区系和生物多样性研究起步较晚,仍缺乏时间序列的观测数据和系统研究。目前对于印太交汇区深海与浅海生物多样性中心形成演化机制以及深浅海生物之间的源汇关系认知方面仍存在分歧。本文梳理了过去国内外学者在印太交汇区鱼类多样性方面的研究工作,综述了该地区浅海热带珊瑚礁和深海鱼类多样性格局演化研究最新进展,提出在深海极端环境和生命过程研究对策,以期为探讨印太交汇区海洋生物多样性中心形成演化过程及证实/证伪各种生物地理学假说提出科学论据,并为战略生物资源开发利用提供新视角。