海洋细菌对DMSP的降解及其在极地低温海域的研究进展

DMSP(二甲基巯基丙酸内盐)是地球上最丰富的有机含硫化合物之一,同时也是海洋微生物的重要营养物。浮游植物是其主要的生产者。DMSP还是海洋中DMS(二甲基硫)的重要来源和前体,而DMS的排放与全球气候变化存在密切关联。细菌在DMSP的降解及DMS的生成方面扮演着重要角色。有关DMSP生物合成、代谢及其生态影响的研究已开展了近70年,但涉及高纬度极地低温海域的相关研究却为数甚少。本文在简要介绍DMSP生物合成与代谢,以及DMSP降解途径中的关键酶基因及其产生菌的基础上,结合笔者的工作实践,对近年来在极地低温海域的相关研究进行了介绍并展开了部分讨论。随着国内对微生物驱动水圈地球元素循环的重视,有关极地海域细菌参与DMSP/DMS代谢的研究工作将极大地增进人们对于微生物在极地海洋生态系统中生态地位的认识,也对评估极地海洋微生物群落对全球气候环境变化的响应与反馈具有重要的参考意义。     

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。     

一株可利用二甲基巯基丙酸内盐生长的北极海洋细菌的分类鉴定及表型特征分析

二甲基巯基丙酸内盐(DMSP)是一种主要由海洋浮游植物生成的含硫化合物,在海洋中含量丰富,同时也是海洋细菌的重要营养物之一.采用生长选择性培养基从北南王湾海水中分离到一株细菌DMSP-1.基于16S rRNA基因序列及基因组平均核苷酸一致性(Average Nucleotide Identity,ANI)分析,将该菌鉴...     

北极黄河站生态环境考察与研究进展

北极黄河站位于北极斯瓦尔巴群岛新奥尔松地区,是生态系统对全球变化响应监测与研究的理想之地。我国自2004年建站以来,开展了系统的王湾海域生态断面和陆地植被样方的长期监测与研究,同时开展了环境污染和鸟类种群变迁等方面的考察与研究。结果表明:冰川退缩迹地上的物种更替明显,而范氏藓等可很好地反映该地区同时期的气温变化;从北极黄河站周边区域的海底沉积物、土壤、湖沉积物和冰川冰碛中分离获得了3个北极新属和21个北极新种,并发现了部分活性菌株;王湾海域微型浮游生物存在较高的生物多样性,其表层水存在潜在氮限制;微藻对温度有较好的适应性,具有通过自身调节来适应北极环境变化的能力;苔原植物对重金属具富集能力,大气传输是持久性有机污染物(POPs)污染来源的最主要途径;鸟类方面,在距今9 400年海鸟就已在该地区生活繁衍,种群数量存在明显波动并在距今7 650年左右达到最大。未来应坚持监测断面和样方的长期监测,进一步掌握生物群落的变化趋势;融合我国在该地区的大气、冰川、样方和海洋监测,开展大气-冰雪-陆地-海洋相互作用研究,聚焦科学问题并形成我国在该地区的研究特色。     

南极夏季沿海P.Pouchetii繁殖期间丙烯酸和二甲基硫的自然产率

样品取自东南极距戴维斯站 1 0公里沿海海域 1 5米水层。从 1 988年 1 1月至 1 989年 2月 ,利用高压液相色谱和气相色谱等手段对海藻 Phaeocystis Pouchetii整个繁殖过程中所产生的有毒物质丙烯酸和二甲基硫的浓度进行了长期连续测定。结果表明 ,丙烯酸和二甲基硫的含量变化范围分别为 0 .0 0 1～ 0 .5 1 0 μmol/L和 0 .0 0 3～ 0 .5 88μmol/L。二者的含量变化与 P.Pouchetii细胞数量的变化完全一致 (相关系数均为 0 .998)。由此可见丙烯酸和二甲基硫产生于 P.Pouchetii是无疑的。丙烯酸和二甲基硫的最高产率分别是 9.75 8× 1 0 - 8μmol/cell和 1 3 .0 90× 1 0 - 8μmol/cell。其主要产生途径是 :P.Pouchetii摄取氨基酸 (如蛋氨酸 )后 ,经甲基化、脱胺等作用 ,在细胞分裂和代谢过程中产生二甲基硫丙酸 (DMSP) ,进而以一对一的方式分解成丙烯酸和二甲基硫。     

白令海和楚科奇海总好气异养细菌丰度和对温度的适应性

用平皿培养计数法测定了白令海和楚科奇海测区水和沉积物中的总好气异养细菌(GAB)的丰度 ,并进行了比较。分析了不同海区、测点、不同层次沉积物中GAB丰度及在不同温度中的适应性。结果表明 ,水中GAB检出率大于沉积物 ,但丰度仅为后者的 0 .0 7% ;表层沉积物中GAB检出率高于其它层次 ;白令海GAB检出率、丰度及变幅均高于楚科奇海。所有站点沉积物中GAB含量平均约为 31 66.3× 1 0 2 CFU·g- 1 (湿 ) ;沉积物GAB丰度大致显出低纬度区大于高纬度区之势。温度试验结果表明所试GAB中多数为适冷菌 ,少数可能为中温菌 ,显示出北极海洋细菌对温度有较强的适应性     

澳洲南部海域二甲基硫海气通量的分布及预测

海洋生物二甲基硫(DMS)的海气通量能改变云层的变化和区域的太阳辐射量,降低地球表面的温度,而极地的大量融冰导致DMS海气通量(DMSflux)对气候的影响更明显。文章中研究了2012—2014年亚南极几乎无冰的澳洲南部海域(40°S—60°S, 110°E—140°E)环境数据(包括:风速、云盖、海表温度、叶绿素、冰盖和混合层深度)的区域分布和年际变化。继而用遗传算法校准DMS模型的参数,得到DMS浓度和DMSflux在研究区域的分布。最后用耦合模型相互比较项目(CMIP5)试验预测未来(大约2100年)在四倍二氧化碳环境下的DMSflux,并与当代(2012—2014年)一倍二氧化碳的情形作比较。研究结果显示:四倍二氧化碳情形下的海表温度、云盖和风速分别上升了0.9%、5.6%和12.3%,混合层深度下降了41.0%;海气传输速度的增加率为58.8%,由于很少的融冰, DMS flux只增加了9.4%,因此, DMS flux的增加速度远比不上南北极。研究结果表明,亚南极几乎无冰的澳洲南部海域的DMS对减弱温室效应的作用不明显。     

澳洲南部海域二甲基硫海气通量的分布及预测北大核心CSCD

海洋生物二甲基硫(DMS)的海气通量能改变云层的变化和区域的太阳辐射量,降低地球表面的温度,而极地的大量融冰导致DMS海气通量(DMSflux)对气候的影响更明显。文章中研究了2012—2014年亚南极几乎无冰的澳洲南部海域(40°S—60°S, 110°E—140°E)环境数据(包括:风速、云盖、海表温度、叶绿素、冰盖和混合层深度)的区域分布和年际变化。继而用遗传算法校准DMS模型的参数,得到DMS浓度和DMSflux在研究区域的分布。最后用耦合模型相互比较项目(CMIP5)试验预测未来(大约2100年)在四倍二氧化碳环境下的DMSflux,并与当代(2012—2014年)一倍二氧化碳的情形作比较。研究结果显示:四倍二氧化碳情形下的海表温度、云盖和风速分别上升了0.9%、5.6%和12.3%,混合层深度下降了41.0%;海气传输速度的增加率为58.8%,由于很少的融冰, DMS flux只增加了9.4%,因此, DMS flux的增加速度远比不上南北极。研究结果表明,亚南极几乎无冰的澳洲南部海域的DMS对减弱温室效应的作用不明显。     

楚科奇海和白令海的海洋低温微生物调查

在 1 999年北极夏季期间对楚科奇海和白令海的海洋低温微生物进行了调查。在楚科奇海 ,海洋细菌和海洋真菌的检出率分别为 1 0 0 %和 >94% ,其相应的总量一般分别为 >1 0 3 cells/cm3 和 1 0 1— 1 0 3 cells/cm3 ;在大多数站位 ,海洋细菌的总量通常都高于海洋真菌的总量 ;从表层至 1 0 m或 3 0 m深层的海水区域 ,分布有丰富的海洋微生物。调查结果还显示 ,不同站位间的海洋微生物总量存在明显差异 ,海冰的融化和海水中的盐度可能是影响这一海区海洋微生物总量的重要因素。在白令海 ,海洋细菌的检出率为 1 0 0 % ,其总量一般在 1 0 2 — 1 0 3 cells/cm3 ;海洋真菌的检出率 >84% ,其总量一般也在 1 0 2 — 1 0 3 cells/cm3 。白令海不同站位间的海洋微生物总量也存在较大的差异。调查结果证实在楚科奇海和白令海的确存在大量的低温海洋微生物 ,在所研究的海洋细菌中 ,分别有 81 %的楚科奇海细菌和 88.9%的白令海细菌能够在低温条件下 (<1 0℃ )良好生长 ,而且有部分菌株能够在低温条件下分解利用淀粉或纤维素等多糖物质以满足自身生长的营养需求。这些海洋低温菌株为进一步开发利用这些海域的海洋微生物资源提供了充足的材料     

南设得兰群岛区域的微生物

198 6年 1 2月 - 1 987年 3月对南设得兰群岛海区和麦克斯威尔湾的空气、长城湾远岸表层海水、欺骗岛潮间带表层海水、底质和火山灰的微生物作了考察研究。结果表明 ,两个测区的空气中陆源性微生物的检出率在 90 %以上 ,每立方米空气中一般含几个 CFU。海洋性微生物的检出率在 50 %以上 ,数量较小 ,每立方米空气仅 1个左右的 CFU。麦克斯威尔湾比南设得兰群岛海区的空气微生物数稍高些。测区的空气微生物受岛屿的影响较大。空气微生物数呈现出某种昼夜变化。空气微生物数受气温、相对湿度的影响不大明显。每立方厘米的长城湾远岸表层海水含几百个 CFU的微生物。其数量随水温的逐月降低减少 ,并显示出某种昼夜变化趋势。该湾海水比较洁净。空气中的海洋性微生物与海水中的微生物呈现出某种关系。长城湾海水细菌有1 3属以上。以假单胞菌为常见者。欺骗岛潮间带每立方厘米海水中只有几个 CFU,火山灰中的含菌量达每克数千个 CFU。以上结果基本反映了南设得兰群岛一带空气、海洋和陆上的微生物一般状况 ,并为进一步考察和开发该区域的微生物资源提供了资料     

极地海洋石油烃污染物的生物降解研究进展

随着南极考察活动的发展和北极地区的开发利用,极地海洋中的石油烃污染逐渐增多。由于这些地区常年处于低温状态,石油烃的自然降解非常缓慢。生物降解是修复污染的一个主要机制,具有经济、高效的特点。极地海洋环境中存在着大量烃降解菌,它们在清除当地石油烃污染中发挥了很大作用,并显现出了低温修复的潜力。本文从极地海洋环境中的石油烃降解菌、影响低温降解的因素、降解基因和低温生物修复四个方面介绍了国外对该领域的研究成果。     

1999/2000年夏季环南极表层海水叶绿素a和初级生产力

中国第 1 6次南极考察期间 ,作者随雪龙船于 1 999年 1 1月 2 2日至 2 0 0 0年 1月 1 8日从澳洲西南部到达东南极普里兹湾 ,后经南印度洋 -南大西洋 -德雷克海峡 -南大西洋 -南印度洋返回普里兹湾。航渡中定时采集表层海水 ,进行水温、盐度、营养盐、浮游生物现存量和光合作用速率的现场观测 ,研究环绕南极海域表层水叶绿素 a和初级生产力的分布特征。结果表明 ,南大洋表层水营养物质、浮游生物现存量和初级生产力分布具明显的区域性特征 ,南极辐合带以南的南极水营养盐浓度高于亚南极水和亚热带水。叶绿素 a浓度与营养物质的分布趋势一致 ,南极水、亚南极水和亚热带水的平均叶绿素 a浓度分别为 1 .77、1 .40和 0 .2 1 μg/dm3。在环绕南极的大洋中 ,南大西洋海域营养物质丰富 ,海水最为肥沃 ,叶绿素 a浓度和初级生产力高于南印度洋和德雷克海峡。在短期往返东南极 -西南极 -东南极的航渡观测中 ,由于南极夏季水温的升高 ,陆缘冰融化 ,冰藻释放 ,长城湾至普里兹湾的西 -东向航渡中观测的初级生产力、浮游植物细胞丰度、叶绿素 a浓度和光合作用同化数分别比普里兹湾至长城湾的东 -西向航渡中高 1 45%、1 1 3%、68%和 1 8%。与 1 0年前的观测结果比较 ,南大西洋仍为高生物量和高生产力海区 ;1 999/2 0 0 0     

海洋放线菌Y18的分子鉴定、生物活性及其抗菌物质发酵条件优化

从北冰洋楚科奇海海洋沉积物中分离到一株放线菌Y18,其良好生长需要海水。经16S rRNA基因序列分析确定该菌株属于拟诺卡氏菌属(Nocardiopsis),次级代谢产物合成酶基因及抗菌活性筛选发现,它含有聚酮类Ⅱ型(PKSⅡ)和非核糖体含硫多肽类(non ribosome-bound sulfur-containing peptides,NRPS)化合物合成酶基因,并且对枯草芽孢杆菌和白色念珠菌有抑制作用。以枯草芽孢杆菌为指示菌对Y18的发酵条件进行了初步优化,适合的发酵条件为:发酵培养基(蛋白胨2 g,酪素水解物2 g,酵母膏2 g,葡萄糖1 g,海水1 L),种子液接种量4%,发酵温度28℃,发酵培养基初始pH值8.0,培养时间6天,1 000 mL三角瓶装液量20%。并对Y18发酵液稳定性进行了测定,结果显示:发酵液对酸碱、热的稳定性都较强,4℃下贮藏发酵液的抗菌活性保留时间较长。     

南极普里兹湾可培养浮游细菌群落结构研究

针对南极普里兹湾内达恩利角附近海域的3个测站共12份海水样品,采用寡营养培养基分离培养极地浮游细菌,通过PCR方法获取其中95株细菌的16S rRNA基因序列。序列分析结果表明,分离获得的95株细菌分属α-变形杆菌纲(Alphaproteobactia)、γ-变形杆菌纲(Gammaproteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)3个类群下的35个不同分类单元,其中α-变形杆菌纲为优势细菌,在不同水层中所占的比例为52.6%—62.5%。通过Shannon多样性指数分析发现,南极普里兹湾陆架区测站P2-14多样性指数较陆坡区两测站P2-11和P2-8的高,细菌多样性与浮游植物量和生产力水平呈现正相关。表层细菌Shannon多样性指数最低,50 m水层最高,100和200 m水层多样性指数变化不明显,真光层水体中细菌垂直分布与营养盐和溶解氧浓度存在关联。此外,采用寡营养陈海水培养基,还获得了一些与已报道的16S rRNA基因序列相似性较低的菌株,它们代表了微生物新物种,可能也是南极真光层特有的细菌。研究工作表明,南极普里兹湾真光层水体中蕴藏着丰富的浮游细菌资源,它们有待保护、开发和利用。     

南极普里兹湾沉积生物标志物记录及浮游植物群落结构变化

本文利用浮游植物标志物（菜子甾醇、甲藻甾醇和长链烯酮）作为重建单种浮游植物（硅藻、甲藻和颗石藻）的指标,对普里兹湾浮游植物群落结构的变化进行研究。结果表明研究海域表层沉积物和III-12柱样沉积物中的生物标志物记录具有明显的空间和时间变化特征。用生物标志物重建的浮游植物总量（菜子甾醇+甲藻甾醇+长链烯酮）变化范围在391.0~1470.6ng/g之间,在过去的大约100年时间里海洋初级生产力呈上升趋势,但近10年略有下降,这种分布趋势与区域气候变化密切相关。普里兹湾及其邻近海域表层沉积物中浮游植物标志物的总含量变化范围为215.2~1249.3 ng/g,重建的浮游植物生产量呈现湾内高、湾外低（陆坡、深海区最低）的特征,并与2005年现场调查资料表层海水叶绿素a、有机碳和生物硅含量分布趋势相符,最大值均出现在普里兹湾中心区域,这意味着底部被埋藏的浮游植物标志物总含量和硅藻植物群落有很高的一致性,反映出海洋底部对上层海洋过程的一致响应。     

气候变化科学与人类可持续发展

政府间气候变化专门委员会(IPCC)自2007年发布第四次评估报告(AR4)以来,新的观测证据进一步证明,全球气候系统变暖是毋庸置疑的事实。2012年之前的3个连续10年的全球地表平均气温,都比1850年以来任何一个10年更高,且可能是过去1400年来最热的30年。虽然1998-2012年全球地表增温速率趋缓,但还不能反映出气候变化的长期趋势。1970年以来海洋在变暖,海洋上层75 m以上的海水温度每10年升温幅度超过0.11℃;1971-2010年地球气候系统增加的净能量中,93%被海洋吸收。全球平均海平面上升速率加快,1993-2010年间高达3.2 mm/年。全球海洋的人为碳库很可能已增加,导致海洋表层水酸化。1971年以来,全球几乎所有冰川、格陵兰冰盖和南极冰盖的冰量都在损失。其中1979年以来北极海冰范围以每10年3.5%~4.1%的速率缩小,同期南极海冰范围以每10年1.2%~1.8%的速率增大。北半球积雪范围在缩小。20世纪80年代初以来,大多数地区的多年冻土温度升高。已在大气和海洋变暖、水循环变化、冰冻圈退缩、海平面上升和极端气候事件的变化中检测到人类活动影响的信号。1750年以来大气CO2浓度的增加是人为辐射强迫增加的主因,导致20世纪50年代以来50%以上的全球气候变暖,其信度超过95%。采用CMIP5模式和典型浓度路径(RCPs),预估本世纪末全球地表平均气温将继续升高,热浪、强降水等极端事件的发生频率将增加,降水将呈现"干者愈干、湿者愈湿"趋势。海洋上层的温度比1986-2005年间升高0.6~2.0℃,热量将从海表传向深海,并影响大洋环流,2100年海平面将上升0.26~0.82m。冰冻圈将继续变暖。为控制气候变暖,人类需要减少温室气体排放。如果较工业化之前的温升达到2℃,全球年均经济损失将达到收入的0.2%~2.0%,并造成大范围不可逆的影响,导致死亡、疾病、食品安全、内陆洪涝、农村饮水和灌溉困难等问题,影响人类安全。但如果采取积极行动,2℃的温升目标仍可望达到。为遏制逐渐失控的全球变暖,需全球共同努力减排,以实现人类可持续发展的理想。     

修筑海堤后光滩上红树林的形成与空间扩展——以广西珍珠港谭吉万尾西堤为例

围填海是红树林减损的主要驱动力之一,但在某些原无红树林分布的区域,修筑海堤后出现了红树林。以在开阔的海域中建设的防城港市珍珠港谭吉万尾海堤为研究区,利用7期中高分辨率遥感影像(基准年分别为1960年、1989年、2001年、2007年、2010年、2013年和2015年)数据和2016年实地调查资料,分析1969年海堤建成后无明显破坏性人为干扰状态下红树林斑块的形成过程和空间扩展动态。研究结果表明,海堤竣工12 a后,即1981年出现了白骨壤(Avicennia marina)林,至1989年,白骨壤林发展成长640 m、平均宽度为25 m的带状斑块(1号斑块);1989~2001年出现了3个新斑块,分别形成于1989年、1993年和1995年;2013~2015年又新增了2个斑块,分别形成于2011年和2013年;海堤上的红树林面积由1989年的1.62 hm2增加至2015年的19.71hm2;红树林面积在早期迅速增加,2007年后,其年平均增加速率逐期减小;在1989年、2001年、2007年、2010年、2013年和2015年的5个监测期内,1号斑块的内边界保持稳定,外边界平均每年向海扩展1.4~6.0 m,表现为早期扩展速度慢、后期快的趋势;红树林斑块空间范围变化以扩张为主,伴随着局部地段的萎缩和破碎化。红树林斑块形成和发展的机制可能是修筑海堤后珍珠港成为了一个漏斗状海湾,海水动力发生较大变化,上游河流携带的泥沙和生物碎屑逐渐沉积,以及西面径流量大的北仑河口的径流携沙在涨潮时经湾口直接运至珍珠港内,在研究区形成沉积,导致海底地形逐渐抬升,为附近漂来的红树林繁殖体定居、生长创造了良好条件,红树林形成后,又加速了泥沙沉积,使其不断向海扩展。