胶州湾颗粒物及沉积物中氨基酸对有机质降解指示作用解析

发布时间：2020-06-27 20:57

【摘要】：作为海洋中有机碳库和有机氮库的重要组成,氨基酸可有效指示海洋有机质的降解程度和成岩状态,进而对于科学评估有机质在海洋中的迁移转化过程与埋藏具有重要意义。本学位论文基于胶州湾颗粒物与表层沉积物中氨基酸的含量、组成、构型和分布特征的系统研究,根据氨基酸的碳氮归一化产率、降解因子、反应活性指数、D型氨基酸占比及非蛋白质氨基酸占比等降解指示因子结合碳氮比和碳稳定同位素解析了胶州湾颗粒物和沉积物中有机质的来源与降解程度,并利用细菌贡献率、细菌丰度、群落结构以及胞外肽酶活性等参数探析了微生物在海洋有机质迁移转化过程中的降解作用和有机质贡献,获得了如下主要研究结论:1.基于氨基酸含量及组成的降解指示因子一致指示了胶州湾颗粒有机质的降解程度,2016年秋季胶州湾颗粒态有机质的降解程度均呈现湾外高于湾内、湾内东部高于西部的变化趋势,而2017年春季则表现为湾内西部和湾外东部颗粒有机质降解程度较高的特征。颗粒有机质的来源是控制其降解程度的关键因素,海源自生有机质的贡献较多导致颗粒有机质相对新鲜,促进了细菌的大量繁殖而产生较高的细菌有机质贡献率,而陆源有机质贡献较多会导致有机质降解程度较高,更有利于诱导细菌产生较高活性的胞外肽酶来分解有机质。此外,颗粒物中细菌群落结构的变化同样改变着有机质的含量与组成,γ-变形杆菌在颗粒有机质的降解过程中起到重要作用。2016年秋季胶州湾海水中颗粒态氨基酸含量为1.15±0.87μmol/L,由于湾内较高浮游植物丰度与湾内东部较高的陆源有机质输入的共同影响,胶州湾表层水体中颗粒态氨基酸呈现湾内高于湾外、湾内西部高于东部的趋势。有机质降解程度的指示因子,如碳氮归一化产率、降解因子DI、反应活性指数RI以及D型氨基酸占比都保持较高的一致性,表现为胶州湾湾外颗粒物中有机质降解程度高于湾内的特征,且由于湾内东部陆源有机质输入较高,导致湾内中部和东北部降解程度较高。D-AA含量、异养细菌丰度以及细菌有机质对有机碳和有机氮的贡献率均体现了细菌与有机质降解密切相关且细菌有机质对胶州湾颗粒有机质具有较为重要的贡献作用。新鲜有机质可以促进细菌的生长与繁殖,从而促进细菌对有机质的降解与转化。此外,有机质的生物活性可以影响细菌的胞外肽酶活性,湾内东北部难降解有机质可诱导细菌释放更高活性的胞外酶。胶州湾颗粒物中细菌优势类群为γ-变形菌、α-变形菌、蓝细菌门和拟杆菌门。其中蓝细菌为光合自养细菌,其相对丰度的升高可导致D-AA的相对降低,此外γ-变形菌与有机质关系密切,其相互影响机制需进一步研究。2017年春季胶州湾海水中颗粒氨基酸含量为0.98±0.32μmol/L,相比较低于2016年秋季。在表层水体中,颗粒态氨基酸在湾内东部海域具有较高含量且有机质较为新鲜,湾内西部海域具有较低含量的氨基酸但有机质的降解程度相对较高,湾外靠湾口海域颗粒态氨基酸含量较低但有机质较为新鲜,与湾内西部相似湾外最东部海域氨基酸含量较低且有机质降解程度较高。2017年春季胶州湾颗粒物中细菌有机质对有机碳的贡献率为17.51%±8.09%,对有机氮的贡献率为10.25%±5.96%,分布趋势呈现为湾外高于湾内,且湾内东部高于湾内西部的整体趋势。与2016年秋季相同,2017年春季胶州湾颗粒物中细菌群落的优势种为变形菌、拟杆菌和蓝细菌,但其中蓝细菌占比明显降低,仅占2016年秋季比例的一半左右。通过群落结构以及与有机质含量对比分析发现,γ-变形杆菌对POC具有重要的降解作用,其优势度越高越不利于颗粒有机碳的保存。由于光合自养细菌有机质不含有D-Asx和D-Ser,因此蓝细菌的占比对D型氨基酸的比例具有一定程度地影响作用。2.2016年秋季胶州湾表层沉积物中有机质的降解程度与颗粒物一致,同样表现为湾外高于湾内、湾内东部高于西部的变化趋势,有机质来源、微生物活性与上覆水水深共同影响了有机质的降解程度。湾内西部海源新鲜有机质输入较多,有利于细菌有机质的合成从而产生较高的细菌贡献率,而湾内东部较高的陆源有机质贡献决定了较高的降解程度和胞外肽酶活性。湾外较深的水深使颗粒物在沉降至沉积物之前受到更深程度的降解,致使沉积物中有机质降解程度相对高于颗粒物。2016年秋季胶州湾表层沉积物中总可水解氨基酸的含量为7.60±3.64μmol/g,其水平分布呈现湾内高于湾外、湾内东部高于西部的趋势。湾内西部海源新鲜有机质的输入以及较高的微生物活性、东部较高的陆源有机质输入比例、湾外水深较深均影响着沉积物中有机质降解程度。指示有机质降解程度的多项参数(THAA-C%、THAA-N%、DI、RI以及mol%D-AA)均指示沉积物中有机质降解程度表现为湾外高于湾内,湾内西部低于东部的趋势。同时沉积物中有机质的降解程度相对高于颗粒有机质,指示了沉积物中有机质经过了细菌更深程度的降解。胶州湾沉积物中对有机碳的细菌源贡献率(31.51%±19.17%)呈现湾内西部和湾外高于湾内东部的特征。此外,胞外肽酶活性与有机质的降解程度密切相关,不同来源的有机质具有不同的反应活性,从而产生不同的细菌源有机质的贡献率及胞外肽酶活性,沉积物中有机质越新鲜细菌贡献率越高但会抑制胞外酶的活性。细菌参与沉积物中有机质的生物降解过程,其产生的D型氨基酸对降解程度具有重要指示作用,并且细菌源有机质对沉积物有机质具有重要贡献,因此细菌是沉积物中有机质在迁移转化过程重要的调控因素。沉积物与颗粒物中氨基酸的含量和有机质降解指示因子的对比表明沉积物中有机质经过微生物更深程度的降解与利用,因此沉积物中有机质相对具有更高降解程度,且不同于颗粒物,沉积物中γ-变形菌和δ-变形菌为优势类群。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X55
【图文】：

“创新号”对胶州湾海区进行现场调研，调查范围及站位如图 2.1 所示。不度海水利用船载 CTD 采集后立即用预先灼烧（450℃，5 h）的玻璃纤维滤Whatman GF/F）进行低压过滤，过滤后的滤膜置于-20℃冰箱或液氮中冷冻，返回实验室后对-20℃样品进行颗粒态氨基酸、总氮、有机碳氮及其同位析，取于液氮保存的滤膜分别进行酶活、16SrRNA 的测定及分析。过滤过取过滤前后水样各4 ml于5 ml无菌离心管，并加入0.4 ml多聚甲醛溶液（10定 10 min，置于液氮中速冻保存。另取海水利用醋酸纤维膜进行过滤，滤膜纸包裹并置于-20℃冰箱冷冻保存，返回实验室进行 Chl-a 的测定。表层沉积品使用箱式采泥器采集，置于预先灼烧（450℃，5 h）的玻璃瓶中于-20℃冰冷冻保存，返回实验室后，沉积物样品经冷冻干燥够研磨均匀，进行颗粒态酸、总氮、有机碳氮及其同位素分析。另取 5 g 左右沉积物于无菌离心管，液氮中速冻，返回实验室后进行胞外肽酶活性的测定与分析。另取 2 g 左右物于无菌离心管，返回实验室后进行 16SrRNA 测序。

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本文编号：2732093