利用两种活体荧光技术分析北极微藻对光照变化的响应

采用调制叶绿素荧光技术（脉冲-振幅-调制：Pulse-Amplitude-Modulation,简称为PAM技术）和荧光光谱两种技术研究不同光照下的两种北极微藻（北极异帽藻（Heterocapsa arctica）和红胞藻（Rhodomonas sp.）的荧光特性,发现（1）两种藻在三个不同光照水平下（5 000 lux、15 000 lux、25 000 lux）光合生理变化特征相似：随着光照强度增加,光量子产量越低,光合效率越低;在15 000 lux和25 000 lux两个较强光照条件下,最大光合电子传递速率（rETRmax）没有提高,且捕光能力下降;25 000 lux光照强度下,均处于胁迫状态,但对强光的耐受能力增强;（2）两种藻在15 000 lux条件下Chl a荧光强度最高,25 000 lux条件下的Chl a荧光强度都显著降低,受到不同程度的光损伤;类胡萝卜素和多甲藻素是维持北极异帽藻15 000 lux下种群生存的有效色素;藻胆素和Chl c则分别为维持红胞藻5 000 lux和15 000 lux条件下的种群的生存起了积极作用。     

2011年夏季北极王湾细菌群落结构分析及浮游细菌丰度检测

采用PCR-DGGE方法,对2011年夏季北极王湾表层海水及沉积物细菌的群落分析结果表明,沉积物中的细菌多样性指数高于海水。深水站位(S1和S3)的沉积物细菌群落不但与浮游细菌群落存在差异,并且与浅水站位(S5)也存在差异。位于湾口、湾内的浮游细菌群落组成也存在一定差异。测序结果显示,王湾海洋细菌的多样性组成包括α-变形细菌、γ-变形细菌、δ-变形细菌、放线菌、拟杆菌及厚壁菌等类群。基于定量PCR方法的检测结果表明,位于湾口、湾内的浮游细菌丰度相似,但湾内玫瑰杆菌支系的丰度明显低于湾口。研究结果表明,与湾口相比,王湾湾内的细菌群落受陆源性淡水输入的影响明显,不但表现在细菌群落的多样性组成上,也表现在某些特定细菌类群的数量分布上。     

北极王湾夏季海水中DMSP降解基因的丰度及分布调查

作为海洋中最丰富的有机含硫化合物之一,二甲基巯基丙酸内盐(DMSP)不仅在浮游植物细胞内具有重要的生理生化及生态功能,同时也是海洋微生物的重要营养物,其分解产物二甲基硫(DMS)还是海洋中最重要的还原态挥发性生源有机硫化物,因此DMSP的代谢在全球硫循环中扮演着重要角色。细菌可通过脱甲基与裂解这两条途径降解海水中的DMSP,从而决定硫元素是以含硫蛋白形式进入微生物食物网还是以DMS形式进入大气。截至目前,在高纬度北极海域开展的有关细菌降解DMSP的相关研究报道很少。本文采用荧光定量PCR技术,首次对北极王湾夏季(2015及2016年)海水中涉及细菌降解DMSP的两条主要代谢途径中的脱甲基酶基因dmdA及裂解酶基因dddP的丰度及分布进行了检测。结果显示, 2015—2016年海水中DMSP降解酶基因(dmdA、dddP)与细菌16S rRNA基因的丰度比值的平均值分别为0.25%±0.31%、0.32%±0.58%。2015年水样中,除K5站位的dddP基因之外,表层水中dmdA及dddP的丰度相对值从湾口至湾内均呈递增趋势。但2016年的结果却显示出很大差异:湾口附近dmdA基因丰度相对值总体高于湾内;表层水中的dddP基因丰度相对值变化趋势不明显,而深层水中dddP基因丰度相对值从湾口到湾内总体呈递减趋势。本次研究的结果初步表明,含有DMSP降解基因的浮游细菌在王湾夏季水体中丰度很低,而且参与不同代谢途径的DMSP降解菌在海水中的时空分布存在很大变化。对于王湾水域中细菌参与DMSP分解代谢及其在当地硫元素循环中的生态地位的进一步认识,尚待后续研究工作的深入开展。     

盐度对北极海冰细菌生长的影响

从中国第二次北极科学考察采集的海冰样品中分离到8种细菌,研究了盐度对其生长的影响。结果表明,8株海冰细菌对盐度有着广泛的适应性,在盐度为30-90的范围内均可较快生长,其中菌株BJ2、BJ3和BJ7的盐耐受性较强。进一步的研究表明,BJ2、BJ3和BJ7在0-150 的盐度范围内均有不同程度的生长,盐度为0-30时,菌株的生长最快;盐度为180时,这三株菌株也均有短暂的生长。随着盐度的增加,三株菌株生长的延迟期增加,到达生长稳定期的时间也相应增加。温度对菌株BJ2、BJ3和BJ7的盐耐受性也有着一定的影响,随着温度的升高, 菌株的生长速度变慢,但盐耐受性有所增加。     

冬季北极涛动和北极海冰变化对东亚气候变化的影响

本文简要回顾了冬季北极涛动 (北大西洋涛动 )和北极海冰面积变化对东亚气候变化的影响、研究中存在的问题以及目前亟待解决的科学问题。     

持续光照下光强对北极海域芬迪亚历山大藻生长及产毒的影响

以格陵兰岛西部、冰岛沿海和楚科奇海的芬迪亚历山大藻为受试对象,并以缅因湾的芬迪亚历山大藻藻株做为参照,从沉积物或海水中的休眠孢囊或营养细胞中分离到12株目标藻种,并在实验室建立纯培养系。然后对这些地域的藻种在不同光照下生长特性的比较、对毒素含量进行研究,发现芬迪亚历山大藻在持续光照条件下最适的生长光强范围是38—91μmol×m~(–2)×s~(–1)。另外,在所有分离到的12株藻细胞中均未检测到脱氨甲酰基膝沟藻毒素2(dc GTX2),大部分藻细胞都在光强较强时,即生长速率低时表现出更高的细胞毒素含量和毒性。     

北极新奥尔松地区王湾和海湾河溶解N2O分布及影响因素

分别于2013年8月和2015年8月对北极斯瓦尔巴德(Svalbard)群岛的王湾(Kongsfjorden)峡湾和海湾河(BayelvaRiver)等水域进行了调查,对水体中溶解氧化亚氮(N_2O)分布及影响因素进行了研究。结果表明,2013年8月王湾表层溶解N_2O浓度范围为10.95—13.32 nmol·L~(-1)、平均值为(12.47±0.71) nmol·L~(-1),海湾河表层溶解N_2O浓度范围为10.66—16.83 nmol·L~(-1)、平均值为(14.65±1.54) nmol·L~(-1); 2015年8月王湾表层溶解N_2O浓度范围为11.40—13.07 nmol·L~(-1)、平均值为(12.39±0.53) nmol·L~(-1),海湾河表层溶解N_2O浓度范围为9.38—15.45 nmol·L~(-1)、平均值为(12.99±1.98) nmol·L~(-1)。王湾西北部水体中N_2O分布受北大西洋暖水团输入影响,东南部受多条冰川融水输入影响;同时,沉积物可能通过反硝化等微生物活动释放N_2O。王湾水体中ΔN_2O和表观耗氧量(AOU)呈负相关性,表明微生物活动对王湾水体N_2O的产生和消耗贡献较小。2013年8月海湾河冰川融水中N_2O呈现不饱和特征(78%),受温度和水气交换影响,海湾河N_2O饱和度自上游冰川融水78%向河口逐渐增加至96%。受海冰融水稀释影响,王湾表层N_2O也表现出不饱和特征。2013年8月王湾表层N_2O饱和度范围为77%—98%、平均值为(89±6)%; 2015年8月王湾表层N_2O饱和度范围为90%—101%、平均值为(95±4)%。新奥尔松(Ny-?lesund)地区水体中N_2O饱和度主要与温度等因素有关,其不饱和的特征使该地区水体成为大气中N_2O的汇。     

北极拉普捷夫海春季冰藻和浮游植物群落结构及生物量分析

对1999年春季采集于北极拉普捷夫海东南部的冰藻和冰下浮游植物群落的种类组成进行了分析,并对丰度和生物量进行了统计和对比。藻种以硅藻占绝对优势,其中又以羽纹硅藻为主。优势种集中,主要包括海洋拟脆杆藻(Fragilariopsisoceanica)、圆柱拟脆杆藻(F.cylindrus)、寒冷菱形藻(Nitzschiafrigida)、普罗马勒菱形藻(N. promare)、带纹曲壳藻(Ach nanthestaeniata)、新寒冷菱形藻(Nitzschianeofrigida)、大洋舟形藻(Naviculapelagica)、范氏舟形藻(N. vanhoeffenii)、北极直链藻(Melosiraarctica)、北方舟形藻(N. septentrionalis)、新月细柱藻(Clindrothecaclosterium)和绿藻门的塔形藻(Pyramimonassp. )。微藻主要集中在冰底10cm,丰度为14. 6-1562. 2×104 cells·L-1,平均为639. 0×104 cells·L-1;生物量为7. 89-2093. 5μgC·L-1,平均为886. 9μgC·L-1,总体上比次冰底高1个数量级,比冰下表层水柱高2个数量级。冰底20cm冰柱的累计丰度和生物量平均分别为冰下20m水柱累计量的7. 7和12. 2倍,显示冰藻在春季海冰融化前在近岸生态系统中的重要作用。尽管各站位冰底和冰下表层水柱藻类群落的相似性普遍不高,但整个调查海域冰底和冰下水柱优势种极为相似,春季期间冰藻对冰下浮游植物群落的影响明显。由于     

SIS海冰模式中两种盐度参数化方案的差异

详细介绍了Sea Ice Simulator(SIS)海冰模式中引进两种盐度参数化方案即等盐度方案和盐度廓线方案对海冰模拟所存在的差异。利用盐度廓线方案导出的表征盐度与海冰温度间关系的方程比等盐度方案多出一项,将该项定义为盐度差异项。盐度差异项对海冰厚度的热力作用表现为:在海冰厚度增长季节(11月到次年5月),盐度差异项通过升高海冰内部温度,抑制海冰增长;在消融的第一阶段(6—8月),盐度差异项通过升高海冰内部温度加快海冰消融;在消融的第二阶段(9—10月),盐度差异项通过降低海冰内部的温度抑制海冰消融。但尺度分析表明,盐度差异项要比方程中对海冰温度作用最大项小1—2个量级,如果采用一级近似,可以略去盐度差异项,因此盐度差异项对与海冰增长和消融影响很小。同时利用GFDL中心研制的冰-洋耦合模式Modular Ocean Model(MOM4),分别采用两种盐度参数化方案模拟北极海冰厚度和海冰密集度的季节性变化,模拟结果也表明两种方案模拟得到的海冰厚度和海冰密集度的季节性变化相差甚小。     

三种北极微藻对不同温度的适应性研究

为了研究北极微藻对不同环境温度的适应性,对分离自北极王湾地区的三种微藻-玛氏骨条藻(Skeletonema marinoi)、小球藻(Chlorella sp.)和衣藻(Chlamydomonas sp.)在不同温度条件下(0℃、4℃和8℃)的生长曲线和抗氧化酶系统进行了测定.结果表明微藻对温度的适应性因种而异:玛氏骨条藻在4℃具有最快生长速率,最高的超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)酶活性,及最低的丙二醛(MDA)含量;小球藻的最快生长速率及酶活均在8℃时,MDA含量最低值出现在0℃;衣藻生长情况相差不大,MDA含量的最低值出现在8℃.抗氧化酶系统变化规律也因藻种及温度而异--在0℃与4℃变化时,玛氏骨条藻抗氧化酶系统的三个指标的差异极显著(P<0.01);在0℃与8℃变化时,玛氏骨条藻与小球藻的SOD活性的差异显著(P<0.05),其余两个指标差异不显著;衣藻在三个温度下的三个指标差异均不显著.总体而言,三种藻对三个温度的适应性均较好:其MDA的含量均较低,三种藻各自具有独特的生理代谢机制来适应不同的温度环境.     

北冰洋中心区表层海水营养盐水平及浮游植物群落对快速融冰的响应

本文依托2010夏季中国第四次北极科学考察,通过对高纬度极地冰下水和冰芯的营养盐的连续观测及表层水颗粒物的藻类色素分析,获取了夏季快速融冰下冰水界面营养盐和光合色素的分布信息。结果表明调查期间表层水磷酸盐和硅酸盐相对于无机氮更丰富（依据Redfield比值）,表现为显著的氮限制。而冰芯无机氮浓度相对更高,融冰释放对水体无机氮有一定的补充。色素分析显示岩藻黄素（Fuco）和叶绿素a（Chl a）是水体颗粒物的主要光合色素。在8/15至8/18期间,叶绿素c（Chl c）、硅藻黄素（Diato）、硅甲藻黄素（Diadino）和岩藻黄素（Fuco）分别达到6,22,73和922μg/m3,体现了硅藻在群落中的优势地位。岩藻黄素（Fuco）的浓度在融冰快速期间有巨大的提升,主要来源于冰芯底部释放的衰老的冰生硅藻和浮游硅藻的生长。此外,青绿黄素（Prasino）和叶黄素（Lut）与岩藻黄素（Fuco）分布模式有明显的差异,暗示青绿藻和绿藻与硅藻对海冰融化的不同响应。     

白令海峡海域夏季温、盐分布及变化

根据 2 0 0 3年中国第二次北极科学考察资料 ,并结合历史现场调查资料和同期的海冰分布 ,分析了白令海峡及其周围海域的水体结构及变化情况 ,得到如下结论 :( 1 ) 2 0 0 3年夏季白令海峡区域层结构季节内变化显著 ,东西部呈两层结构 ,而中部上下水体均匀一致 ,( 2 )白令海峡邻近海域温盐结构是东部高温低盐 ,西部低温高盐 ,西部存在明显上升流特征 ;( 3)白令海峡的水交换以北太平洋水通过白令海峡进入北冰洋为主 ,而温度、盐度的分布也与北向的输运是匹配的。     

北极航道相关海域科学考察研究进展

我国从1999年开始已实施了四次北极科学考察,对白令海、楚科奇海、波弗特海、加拿大海盆和马卡若夫海盆进行了广泛的考察。全球变化导致的北冰洋夏季海冰覆盖面积不断减少,导致冰期以来北极东北航道和西北航道的首次同时开通。北极航道集中在陆架海域,不仅是海冰变化最为显著的海域,同时也是陆地－北冰洋相互作用最为显著的区域,对北冰洋区域气候、生态系统和生物多样性、以及经济和当地土著居民生活等具有重大影响。本文对北极航道关键海域近年来国际相关科学考察进行了总结,对科学考察背后的各国北极策略进行分析,并从科学需求的角度对我国在今后北极科学考察中针对北极航道相关海域应开展的科学考察与研究提出了相关建议。     

夏季北冰洋楚科奇海微微型、微型浮游植物和细菌的丰度分布特征及其与水团的关系

本文利用2008年我国第三次北极科学考察的机会,分析了夏季楚科奇海微微型、微型浮游植物和细菌丰度的分布特征,并探讨了它们与楚科奇海水团之间的关系。结果表明：与北冰洋的其它海域相比,楚科奇海的微型浮游植物丰度相对较高（0.03~10.23×103 cells/mL）,微微型浮游植物则大致相同（0.01~2.21×103 cells/mL）,而浮游细菌丰度明显较高（0.21~9.61×106 cells/mL）。白令海陆架水与海冰融化混合水和阿纳德尔水浮游植物群落结构不同,夏季随着太平洋水入流水对楚科奇海的日益影响,其水体本身的群落结构可能被外来群落替代。     

北冰洋阿尔法脊晚第四纪沉积有机质的来源变化及其古环境意义

为探讨晚第四纪有机碳埋藏情况变化与海冰覆盖和环流等变化之间的关系,分析了北冰洋阿尔法脊08B85-D孔沉积物的Mn和Ca含量、粒度组成、有机碳含量和有机碳δ13C组成。结果表明有机碳含量并不具备冰期-间冰期旋回性,有机碳来源具有4种不同模式,海冰覆盖程度和波弗特环流的强度共同决定了阿尔法脊处有机碳来源的构成,在MIS7内若干时段海冰覆盖极少,极盛的波弗特环流可将陆源有机质直接输送至阿尔法脊处,使沉积有机质中陆地来源占主导,形成了具有地层对比意义的独特信号。在MIS6-MIS1,08B85-D孔有机碳始终以海洋源贡献占主导,与海冰覆盖程度维持在较高水平,限制了陆源有机碳的输送有关,特别是在MIS6和MIS4-MIS3时,海冰很盛,波弗特环流有可能消亡。     

楚科奇海和白令海浮游植物的种类组成与分布

根据 1 999年 7月至 8月我国首次北极科学考察期间“雪龙”号考察船在楚科奇海 ( 66°0 .3′N75°1 8.6′N ,1 5 3°36.5′W 1 74°5 9.5′W )和白令海 ( 5 5°5 9.8′N66°0 .3′N ,1 73°2 1 .1′E1 75°5 3.9′W)采集的 5 1份网采样品和 2 4份水采样品 ,鉴定浮游植物 3个门类 38属 1 2 1种 (含变种和变型 ) ,都是真核藻类。其中楚科奇海有 33属 1 0 3种 ,白令海有 2 5属 71种 ,两海区共有种 49种。这些种类可分为 4个生态类群 :( 1 )北极类群 ;( 2 )北极、亚北极北方类群 ;( 3)北方温带类群 ;( 4 )世界性广温类群等。主要优势种有楚科奇海的格鲁菱形藻 (Nitzschiagrunowii)、诺登海链藻(Thalassiosiranordenskioldi)和聚生角毛藻 (Chaetocerossocialis)等和白令海的西氏细齿状藻(Denticulaseminae)、柔弱菱形藻 (Nitzschiadilicatissima)、成列菱形藻 (N .seriata)和长海毛藻(Thalassiothrixlongissima)等。楚克奇海浮游植物的平均丰度 ( 8.32× 1 0 7个 /m3)远高于白令海( 1 .5 8× 1 0 6个 /m3)。文中还讨论了调查区浮游植物的分布特点及其与环境的关系。     

北冰洋海冰和海水变异对海洋生态系统的潜在影响

最近30年来,北冰洋海冰和海水发生了急剧变化:海冰覆盖面积减少、冰层变薄、水温升高、淡水输入增加、污染加剧,正威胁着现有与海冰关系密切的生态系统。预期随着变化的持续,与海冰相关的食物链将在部分海域消失并被较低纬度的海洋物种所取代、总初级生产力有望增加并为人类带来更多的渔获量、而北极熊和海象等以海冰作为栖息和捕食场所的大型哺乳动物的生存前景堪忧。今后人类将更为重视对北冰洋生态环境变化规律的认识并加以运用、关注北冰洋特有物种的命运并加以力所能及的保护、评估北冰洋生态系统的变化对人类社会经济的影响以期及早采取应对措施。数据积累是目前制约北极研究的最大障碍,但随着 SEARCH 等大型国际研究计划的实施,对北冰洋生态系统的监测和研究将更为系统和全面。     

北极东北航道通航策略及经济性研究

北极航道是沟通东亚、北美和欧洲的最便捷航道,相对于经苏伊士运河或巴拿马运河的传统商业航线具有缩短航程、节省运输时间、减少油耗和废气排放等优势。通过对东北航道地理环境的分析(特别是冰情的分析),从而确定一条合理的适航航线。在此基础上对通航船舶进行经济性分析,制定最优的通航策略。东北航道的通航将改善中国的对外贸易平衡,对于中欧经贸往来乃至世界经济发展具有重要战略意义。