阿塔卡马海沟表层水颗粒有机碳与微生物群落呼吸作用的时空变化研究*

赵 昕 陈宏威 李文朋 李芯芯, 2, 3

阿塔卡马海沟表层水颗粒有机碳与微生物群落呼吸作用的时空变化研究*

赵 昕1陈宏威1李文朋1李芯芯1, 2, 3①

(1. 南方科技大学海洋科学与工程系 深圳 518055; 2. 南方科技大学深圳海洋地球古菌组学重点实验室 深圳 518055; 3. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州) 广州 511458)

海沟是全球大洋体系的重要组成部分。研究这一极端环境的生物地球化学循环过程有助于我们进一步理解海洋的物质循环。前期研究发现, 海沟表层水体的初级生产力(NPP)对海沟沉积物埋藏的有机碳性质具有重要影响, 但是, 颗粒有机碳(POC)在沉降过程中被微生物呼吸和降解的过程尚不清楚。因此, 本研究利用2018年春“太阳号”阿塔卡马海沟(Atacama Trench)国际联合航次SO261所采集的表层水样品, 测试其中POC浓度、C/N、13C、15N等参数, 并结合0.2—0.8、0.8—3.0、>3.0 μm三种粒径微生物群落呼吸(microbial community respiration, MCR)速率测试, 探究其日变化模式及不同站位的空间变化模式, 进而衡量微生物对POC的呼吸降解作用。结果表明, 该海域表层水中对POC降解占主导作用的微生物类群粒径为0.8—3.0 μm; 24 h时间序列实验表明MCR随时间呈现“M”型曲线的双峰变化模式, 且和C/N、13C、15N等参数变化趋势吻合, 表明同一站位的呼吸速率主要与光强有关, 并对代谢有机碳的元素性质产生影响; 在空间上, 海沟站位表层的MCR显著大于非海沟站位, 并受初级生产力的影响。最后, 本文计算得到表层水微生物对NPP的呼吸降解比例在0.5%—4.6%之间。

阿塔卡马海沟; 颗粒有机碳; 表层水体; 呼吸作用; 时空变化

近年来海沟领域的相关研究飞速发展, 海沟沟底沉积物被认为是有机碳(organic carbon, OC)的汇聚中心(depocenter), 聚集了来自海源、陆源和横向搬运的OC, 平均含量可达临近深海平原沉积物的两倍(Glud, 2013; Luo, 2019; Xiao, 2020)。有研究表明, 海沟表层水体的初级生产力对海沟沉积物埋藏的有机碳性质具有重要影响(Glud, 2013; Wenzhöfer, 2016; Luo, 2018), 但海沟体系生产力状态各不相同(Jamieson, 2010), 海沟表层水体与下层沉积物的距离大于6000 m, 之间的物质传输关系尚未明确, 例如关于微生物呼吸速率(microbial community respiration rate, MCR)的研究极少, 直接影响了我们对海沟表层初级生产力与沉积物有机碳关系的认识。

海洋微生物在不同水层中对颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)的呼吸降解作用对揭示水体-沉积物耦合作用以及其中复杂的碳循环过程尤为重要。基于全球数据, del Giorgio等(2002)于Nature上发表了关于开放大洋呼吸速率估算的综述, 整个开放大洋水体的呼吸作用速率在55.8—76.1 Gt C/a之间, 其中超过一半(32—42 Gt C/a)的呼吸作用发生在真光层, 另有近三分之一(21—28 Gt C/a)的过程发生在海洋中层。而总的初级生产力估算值则在41.4—77 Gt C/a之间。如果真光层平均深度为200 m、全球开放大洋面积为2.9×108km2, 开放大洋的日呼吸作用速率当在1.5—2.0 mg C/(m3·d)之间, 而初级生产力则处于2.0—3.7 mg C/(m3·d)之间, 表明海洋整体为净固碳过程, 进而沉积物中潜在埋藏初级生产力沉降的有机碳。但Duarte等(2013)和Williams等(2013)就寡营养海域的碳收支能力发表过不同的见解, 前者认为从目前总结的观测数据来看, 寡营养海域的呼吸消耗量高于初级生产力的阈值。他们认为陆源物质的输入可以补充初级生产力生产量不足造成的缺口, 同时也提示化能自养过程可能在开放海域对有机物的生产具有贡献。所以初级生产力与沉积物埋藏有机碳的性质没有必要的关联性。针对区域化的研究, Wilson等(2014)曾使用滑翔机(Gliders)对太平洋的东西走向、南北走向两个断面进行连续观测, 尝试构建该区域微生物群落呼吸速率的模式。该研究发现呼吸作用与温度关系较弱, 但与叶绿素的含量和浊度的大小存在着正相关关系。但是仅靠温度、浊度、叶绿素等参数进行多元自适性回归分析, 并不能完全解释该研究获得的呼吸作用的数据(解释度低于10%)。同时, 不同海区在空间上不存在明显统一的模式, 这表明有机碳生产-呼吸过程仍需深入理解。作为极端环境, 了解海沟表层水体的碳呼吸代谢及循环过程对认识海沟整体OC循环研究具有重要意义, 但目前在海沟研究中尚未见报道。

阿塔卡马海沟位于东太平洋, 沿智利-秘鲁西部海岸分布, 距离其约160 km, 海沟长约5900 km, 宽64 km (Fujii, 2013)。此处东太平洋上升流作用明显, 是世界上初级生产力第二大的海沟环境[269 g C/(m2·a)]。表层海水的碳循环研究对我们了解海沟的碳循环过程具有特别影响, 因此对表层水体MCR及POC分布的研究将有助于我们理解海沟水体的OC循环过程, 从而对海沟内部甚至沉积物中碳循环提供参考。因此本研究利用2018年春“太阳号” SO261阿塔卡马海沟国际联合航次, 进行表层水体MCR测试以及POC来源及组成的研究, 研究目标为: (1) POC的元素性质; (2) 不同粒径MCR的时空分布模式; (3) MCR与POC性质的相互关系。本研究通过衡量阿塔卡马海沟表层水体微生物群落对POC的呼吸和降解作用, 对全面理解海沟表层POC向下层水体及沉积物的传输提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 样品来源

在2018年春季“太阳号”SO261国际阿塔卡马海沟调查航次中, 于地理坐标21.5°—24.5°S, 70.5°—72.0°W内采集站位S1—S7阿塔卡马海沟表层(5 m以浅)海水样品, 主要进行POC样品采集和MCR培养实验(图1, 表1), 为避免采样时间上导致的误差, 样品采集均在20—21点进行。同时在站位3进行24 h时间序列采样。其中S2—S6站位水深超过6000 m, 为海沟站位, S1和S7为较浅水深的非海沟站位。

图1 阿塔卡马海沟表层海水采样站位

注: 红圈标识的站位S3为时间序列实验站

表1 阿塔卡马海沟海水采样站位信息

Tab.1 Sampling sites in the Atacama Trench

1.2 实验方法

1.2.1 POC采集及参数分析 在各站位, 采集表层海水约1 L。经高温灼烧的GF/F (Whatman, 直径47 mm, 孔径为0.7 µm)滤膜过滤后,-80 °C冰箱保存直至分析。

在实验室内, POC滤膜经盐酸蒸汽酸化去除无机碳之后, 由银箔包裹, 在美国加州大学戴维斯分校稳定同位素实验室(UC-Davis Stable Isotope Facility, USA)利用元素分析-同位素比值质谱仪(EA-irMA)进行POC (%)、颗粒氮(PN, %)、13C (13C同位素, ‰)、15N (15N同位素, ‰)分析。13C同位素以V-PDB (Vienna PeeDee Belemnite)为标准,15N同位素以空气为标准, 测试精密度分别为±0.1‰和±0.4‰。

1.2.2 MCR的测量 MCR的测量实验方法详见Martínez-García等(2009)。该方法基于测定培养的样品中体内电子传递体系(electron transport system, ETS)中反应速率来估算呼吸速率, 碘硝基氯化四氮唑蓝 (tetrazolium salt 2-para (iodo-phenyl)- 3(nitrophenyl)-5(phenyl) tetrazolium chloride, INT)作为反应中的电子受体, 加入培养体系后会进入细胞内, 被ETS中的脱氢酶还原为碘硝基四唑甲臢(INT-Formazan, INT-F), 而INT-F具有不溶于水, 有色, 稳定等特点, 能够使用分光光度计进行测试。简言之, 对筛绢过滤后的表层海水分为对照组和实验组培养, 对照组预先加入甲醛(37%)对微生物进行固定, 作为实验空白。15 min后, 与实验组进行一致的培养实验, 即向对照组和实验组各加入7.9 mmol/L的INT维持原位温度避光培养1 h。培养完成后, 加入甲醛固定。分别使用孔径为3.0、0.8、0.2 μm PC膜(PALL, 直径47 mm)低压过滤。过滤完后的0.2—0.8 μm(小粒径)、0.8—3.0 μm(中粒径)、>3.0 μm(大粒径)样品置于离心管中,-20 °C保存。返回实验室后, 样品膜用正丙醇超声提取, 震荡离心后, 利用分光光度计(UV-2600, 岛津)在485 nm波长处测试上述离心液并记录数据, 根据电子传递速率与呼吸耗氧速率的典型转换参数12.8 (Martínez-García, 2009)来计算每个样品中的MCR, 单位为mmol C/(m3·d)。

1.2.3 时间序列实验 在S3站位进行时间序列采样和光照强度测量, 即3月16日23时至3月17日19时, 每隔2 h采POC样品并测量光强(20:00—5:00光强设为0), 每隔4 h采集MCR样品并培养; 并在3月17日20时最后一次采POC样品。数位式照度计(TES 1332A)用来记录采样时该站位的光照强度(单位: lx)。

实验过程中实验用水均为Milli-Q超纯水。实验试剂均为国药集团化学试剂有限公司分析纯试剂。

1.3 呼吸对初级生产力消耗的估算

本文使用VGPM模型(vertically generalized production model)(Behrenfeld, 1997)及该海域2018年3月叶绿素的遥感数据[来自美国航空航天局Goddard航天飞行中心的海洋生物学处理组, MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)传感器]对表层海水初级生产力进行了大致的估算, 得到每个站位的初级生产力的值, 单位为mg C/(m2·d)。并按照下式估算呼吸对初级生产力的消耗(:

式中, 12.01为碳的摩尔质量, 单位为g/mol, MCR为总的微生物呼吸速率, 单位为mmol C/(m3·d),为深度, 单位为m, NPP为估算得到的海洋表层初级生产力。假设海洋表层(＜5 m)呼吸速率变化不大, 因此将呼吸速率按5 m的深度积分后除以初级生产力的值即可估算出表层海水中微生物呼吸消耗掉的初级生产力的比例。

1.4 统计分析

为探讨POC与不同粒径MCR的相互作用关系, 对S3时间序列及不同站位的所有数据进行主成分分析(PCA)。

2 结果

2.1 不同粒径MCR的时空分布

2.1.1 不同粒径MCR的日变化 在S3站位的呼吸作用日变化过程中, 阿塔卡马海沟表层水体总MCR夜间(19:00—3:00)相对日间(7:00—15:00)显著增高(74.3%, 图2)。23时的MCR甚至超过日间均值(0.39,=4)的一倍以上。白昼时期MCR变化总体比较平稳[(0.39±0.025) mmol C/(m3·d)], 整个白天MCR最强的时间为11时, 早晨和午后MCR维持在相对较低的水平。傍晚以后MCR逐渐增加, 最终在午夜时期达到的全天最高值。而进入后半夜, MCR有所降低, 直至清晨达到全天的最低值。同时, 整个白昼时期MCR变化不大, 特别是中午光照最强的时候, 也未出现MCR的最低值。而到了夜晚, 光强度降低, 表层海水逐渐降温, 微生物呼吸速率随之上升, 并在23时附近达到峰值, 随着表层海水温度进一步降低, 到凌晨时(3时), MCR逐渐降低。

S3站位不同粒径的MCR如图2所示。在24 h内, 中粒径MCR在一天中的所有时段均显著高于小粒径和大粒径的MCR。同时, 中粒径MCR在在后半夜至午间较为波动, 其最低值出现在15时; 随后开始升高, 其最大值出现在23时, 此时光照强度已衰减为零。大粒径MCR大部分时间较为稳定, 基本维持在0.1 mmol C/(m3·d)左右, 与中粒径微生物情况较为相似的是, 大粒径MCR在15时达到最低值, 随后至23时的呼吸强度明显快速上升, 远离0.1 mmol C/(m3·d)的值, 最大值达到0.33 mmol C/(m3·d), 增大了三倍。小粒径MCR总体来说略低于大粒径MCR, 与另外两组不同的是, 其最大值出现在15时, 而最小值出现在23时; 对于小粒径MCR来说, 午后至夜间的值逐渐降低, 这与大粒径和中粒径两组的变化趋势恰好相反。

总体来说, 大、中、小粒径范围的微生物群落具有明显不同的MCR, 表明不同粒径的微生物群落在同一片海域不同时间对POC存在不同程度的呼吸降解关系(图2)。在该区域(S3站位附近), 中粒径MCR占主导作用, 其贡献率大于50%。剩下两种粒径的微生物群落呼吸强度各不相同。

图2 S3站位的POC浓度、总MCR及不同粒径MCR的日变化

注: 总MCR为大中小MCR之和

2.1.2 MCR的空间分布 在阿塔卡马海沟表层水体MCR的空间分布上(图3), 发现MCR最高的站位是S5, 比最低值(S7)高出近十倍。另外, 对比海沟站位和非海沟站位, 海沟站位表层水体中MCR明显高于非海沟站位表层水(82.8%)。而海沟各站位的MCR变化相对平缓, 但仍然出现了S5这样的高值。相比下, 非海沟站位的MCR则较为平稳地维持在较低的强度。

大、中和小粒径三个范围内的MCR在空间上呈现出与日变化类似的结果(图3)。平均而言, 中粒径的MCR大于大粒径和小粒径, 但是在某些站位(S2、S4), 中粒径的MCR并没有占据主导地位。中粒径MCR由北(S2)向南(S6)没有呈现出明显的模式, 不同站位之间的数值波动非常大, 海沟站位中最大＞0.5 mmol C/(m3·d), 最小值约为0.15 mmol C/(m3·d), 并且所有海沟站位的中粒径MCR都大于非海沟站位(S1*)值。在海沟站位, 大粒径MCR比较稳定, 其值由北向南先略有上升, 然后下降, 最大MCR为S5站位, 最小值出现在S6站位, 其值近乎0。小粒径MCR同样波动较大, S4站位的值小粒径MCR占主导地位, 但S3、S5站位的数值表明其群体呼吸强度十分微弱; 平均而言, 小粒径MCR在三种粒径范围内属于最低的一类。

总之, 不同站位难以发现明显的空间变化模式, 但海沟站位的MCR普遍高于非海沟站位。另外, 总体来说, 中粒径的MCR有明显优势, 小粒径的MCR则最弱, 这一点与日变化数据基本一致, 但是在涉及具体站位的情况时, 各粒径MCR相对大小则略有不同。

图3 不同站位POC浓度、总MCR及三种粒径范围MCR的分布

注: S1*站位的采样深度为50 m, 其余各站位的采样深度均为5 m, 下同

2.2 POC的时空分布

S3站位的水体POC浓度值日变化见图2, 其值在24 h内波动巨大, 最低值(101.2 μg/L)出现在11时, 最高值[(227.8±7.9) μg/L]出现在19时, 最大值与最小值之间相差约两倍。POC浓度虽然在11时和17时有所降低, 但在白天(5—19时)整体呈上升趋势, 而在夜间则出现明显的下降。POC浓度在24 h内的变化趋势与三种不同粒径微生物群落呼吸强度值存在一定联系, 表现出与大、中粒径的MCR趋势相反, 而与小粒径的MCR相一致的分布。

S3站位POC的13C的值变化范围为-24.4‰—-21.0‰(图4a)。与POC不同,13C的值从午夜(23时)的最高值(-21.0‰±0.5‰)开始下降, 至11时达最低值(-24.4‰), 而后略微升高, 并保持相对稳定的状态。15N的值变化趋势与13C一致, 最高值在23时(10.0‰±0.4‰), 而后逐渐降低, 但在早上7时左右略升高, 并同样在11时达到最低(4.1‰)随后逐渐升高。C/N值则与13C、15N变化一致。三者的变化趋势较统一, 都具有夜间高, 白天偏低的趋势, 同时在正午光强最大时达最低值, 与光强成反比(=-0.84,＜0.05)。

图4 各测试站位的POC参数: S3站位的δ13C、δ15N、C/N值与光照强度日变化(a); 不同站位POC的δ13C、δ15N、C/N值(b)

不同站位水体样品中的POC浓度值变化较为均一(图3), 大致维持在200 μg/L的浓度附近, 但S2站位的高值达到了450 μg/L; 两个非海沟站位的POC浓度值变化比较大, 其中S7站位的值约为(212.5±75.6) μg/L, S1*站位的值约为(38.0±2.4) μg/L。但是总体海沟站位的POC浓度高于非海沟站位, 这与微生物的呼吸作用趋势一致。

不同站位的13C值变化不大(-19.0‰±0.6‰, S3和S7两个站位除外, 图4b), S3和S7两个站位POC的13C值分别为-23.5‰、-22.9‰。15N和C/N值则与POC变化趋势相似, 海沟站位的值(15N为9.0‰±1.0‰, C/N为4.6±0.8)高于非海沟站位(15N为7.7‰±1.9‰, C/N为3.7±0.1), 且从北向南(S2—S5)逐渐降低, S6站位的值较其他站位要高。

3 讨论

3.1 时间序列实验POC与MCR的关系

本研究中表层海水POC浓度值平均为185.5 μg/L (表2), 与Parsons (1975)在秘鲁暖流区域得出的值相近(Jamieson, 2010)。站位S3一天内的MCR呈“M”模式, 且在白天变化不大, 考虑到表层海水温度较高且较恒定, 微生物也可能存在的垂向运动(Forward Jr, 1976; Bianchi, 2013), 同时表层阳光较强烈, 一般为某些抗光性比较强的类群活动区域(Turon, 1992; López-Legentil, 2016), 因此MCR总体比较稳定且较低。一方面, 充足适量的光照能够为表层的光合微生物提供能量, 使其体内的生物酶活性保持在正常水平, 以维持正常的生命活动(Casey, 2017)。另一方面, 过强的紫外线一定程度上会抑制微生物正常代谢及酶活性, 从而导致生物活动减弱(Alonso-Sáez, 2006), 即常见的白天的光合作用大于表层海水的MCR这一现象。作为海洋微生物潜在的可利用资源之一, POC与MCR呈现潜在的关系, 在本研究中, POC浓度与不同粒径的MCR在时间序列上有一定联系。但是POC浓度和MCR并没有空间分布上的明显关系。这可能由于有限的站位数据导致, 也可能与不同站位在空间上表现出复杂的POC来源和微生物群落结构有关。

表2 不同研究区域POC浓度值

Tab.2 POC concentration of different areas

从日变化的趋势和PCA分析结果来看(图2, 图5a), 午夜(23:00)和正午(11:00)的MCR主要受光强影响, 而其他时间段不同粒径的MCR则与POC的浓度及元素组成有着密切的关系。小粒径MCR与POC浓度值的正相关性比较强(=0.8,＜0.01), 说明小粒径的微生物代谢活性主要受POC浓度的影响; 而大粒径和中粒径MCR与POC浓度的相关性不明显(=-0.27,＜0.01), 并在午后呈现相反的变化趋势。考虑到微生物存在附着相和悬浮相两种状态(Paerl, 1975; Liu, 2018), 小粒径范围内的微生物更加可能附着于POC以保证充足的物质能量供应来进行代谢活动(张乃星等, 2006); 而中粒径和大粒径MCR在某些时段与POC浓度变化趋势相反, 说明较大的微生物群体可能更倾向于悬浮自由的生存方式, 可以直接将部分POC颗粒以及小粒径微生物作为代谢的物质来源(Legendre, 2002)。小粒径和大中粒径MCR呈现相反的趋势也从某种程度上暗示了小粒径微生物与较大粒径微生物之间存在的捕食或者竞争关系(Calbet, 2004)。同时, 大中粒径MCR与13C具有一定的正相关关系, 随着大中粒径MCR的增大(例如23时), 含较轻C同位素的POC组分被首先利用, 导致13C值增大, 相反, 当MCR变小时(例如15时), POC的13C值分馏作用不明显。由此可见,13C值在一天之内有规律的波动从侧面反映了MCR在一天之中的变化情况, 以及大中粒径微生物群落的呼吸作用对该海域POC产生的同位素分馏作用。15N的变化规律与13C相似。

3.2 不同站位MCR与POC的空间变化

利用同位素来表征物质来源是一种比较常用的地球化学方法。一般而言,13C越亏损, 表明其组分越惰性, 越接近陆相, 反之则更接近海相(Hobson, 1995; Rogers, 2019)。而在不同站位中,13C的变化(图4b)与对应的MCR(图3)既有符合上述日变化规律的, 即13C值变化与MCR变化相反, 如海沟站位中的S2、S3、S4; 而S6、S5等站位二者则没有明显关联。整体上,13C的值变化不大(S3和S7除外)。所以, 在空间分布上, MCR对13C、15N的同位素分馏作用不显著。

图5 测试参数的PCA 分析: S3时间序列实验(a); 各站位实验(b)

相较于日变化, MCR在不同站位的变化趋势并不单一由POC控制。从变量的角度来看, 不同站位的MCR反映的是较大尺度上对某区域POC的代谢与降解; 从PCA的分析结果看, 这种大尺度区域性的POC的代谢与降解与NPP有关, 表现在大中粒径的MCR随着不同站位NPP的增大而增大(图5b), 这种正相关性在中粒径的MCR更为明显, 所以NPP为微生物提供了呼吸的能量来源。对于小粒径微生物而言, 不同站位的MCR与POC浓度密切相关, 这与日变化规律一致。所以在初级生产力较高的阿塔卡玛海沟区域, MCR对POC的代谢与其浓度的变化更密切。

从C/N的角度看, C/N值对区域内的微生物代谢活性具有潜在的控制作用(Avnimelech, 1999; Robidart, 2019)。根据Redfield值C:N:P=106:16:1 (Atkinson, 1983), 假设同一区域N、P输入是按同样比例的, 则可用C/N简单代表三者之间的关系, 即C/N处于6—7之间时该区域元素处于平衡状态, 此时微生物代谢的效率比较高, 而C/N更高或者较低都会因为N或者C元素的不足限制微生物代谢(Marañón, 2018), 而本研究中C/N普遍低于7, 故在MCR日变化中, MCR峰值应该出现在C/N较高的时段(7时, 23时), 这与上述13C和15N值对应的推测相同。但在不同站位上, 输入的N、P比例都不同, C/N及15N的值在PCA分析中与小粒径的MCR有一定影响, 因此C/N的值并不能直接反映潜在的MCR, 因而不同站位C/N值变化与对应站位MCR变化不一致是可以理解的。比如海沟站位中S4、S5站位的C/N值大致和S9、S7、S1*相近, 但几者间的MCR相差较大, 这说明不同站位的MCR可能还与距陆地的距离、海水深度、海流等有关(Kim, 2017), 尚待获得更充分的数据作进一步研究。

利用遥感数据估算出该海域初级生产力在844—1592 mg C/(m2·d) [169—318 mg C/(m3·d)], 这个结果与其他研究中(Longhurst, 1995)大洋的初级生产力处于相同数量级, 但是值相对较高(表3)。这与阿塔卡马海沟区域拥有较高的初级生产力的特点相吻合。基于上述数据, 阿塔卡马海沟表层水MCR对NPP的消耗大约为0.5%—4.6%。在某些研究中, 研究区域的微生物呼吸能够消耗掉NPP的10%—30% (Hashimoto, 2005; Carvalho, 2017)。相对而言本研究的结果偏低, 一方面由于本研究数据只考虑5 m水深的状况, 因此可能会低估此区域的整体结果。另外, 本研究对象位于上升流区域, 初级生产力偏高; 最后, 也可能与营养盐偏离Redfield比值后抑制了MCR有关。虽然相关研究需要进一步完善, 但本结果为海沟水体-沉积物的耦合作用提供了数据支持。

表3 大洋初级生产力对照表*

Tab.3 Primary production of different ocean*

注:*改自Longhurst等(1995);a来自Tilstone等(2017);b来自Matsumoto等(2016)

4 结论及展望

本研究利用阿塔卡马海沟表层不同站位样品以及同一站位(S3)在一天之内的时间序列样品, 来探究该海域不同粒径微生物群落对POC的呼吸速率在时间和空间上的变化规律以及潜在原因。首先, 阿塔卡马海沟表层水体中MCR的日变化呈现“M”型曲线的双峰变化模式, 但空间上变化模式并不显著。此外, 不同粒径颗粒范围内的MCR在空间和日变化中表现出不同的特点, 其中中粒径MCR贡献最大, 且在短时间内(24 h)会对研究区内的POC元素组成和同位素产生一定的分馏作用, 而空间上则与初级生产力密切相关。阿塔卡马海沟表层水体的MCR大约为该区域初级生产力的0.5%—4.6%, 比大洋平均水平偏低, 这与该区域较高的初级生产力导致的高输出生产力有关。这为海沟沉积物有机碳部分源于初级生产力提供了一定证据。本研究进一步工作可以从样品微生物的种类以及环境水样中POC的组成出发, 进一部探讨不同微生物与不同活性有机碳之间的相互关系。

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TEMPORAL AND SPATIAL DISTRIBUTION OF PARTICULATE ORGANIC CARBON AND MICROBIAL COMMUNITY RESPIRATION OF ATACAMA TRENCH SURFACE WATER, CHILE

ZHAO Xin1, CHEN Hong-Wei1, LI Wen-Peng1, LI Xin-Xin1, 2, 3

(1. Department of Ocean Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, China; 2.Shenzhen Key Laboratory of Marine Archaea Geo-Omics,Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, China; 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China)

Trench system is an important part of the global ocean. Studying the biogeochemical cycle in this extreme environment will help us understand the material recycling in the ocean. Previous studies have suggested that surface net primary production (NPP) contributed to the properties of organic carbon buried in trench sediments. However, the microbial community respiration (MCR) and the degradation of deposited particulate organic carbon (POC) through the extremely distant water column is unclear yet. To understand the temporal and spatial variations of MCR, POC, and their interactions, POC content, C/N,13C and15N of POC, along with the size fractionated MCR (0.2—0.8 μm, 0.8—3.0 μm, and >3.0 μm) of surface water (5 m) samples during cruise SO261, 2018 in the Atacama Trench, Chile, were analyzed. The results indicate that the 0.8—3.0 μm size fraction dominated the total MCR rates and potentially organic carbon degradation in this area. In addition, the MCR presented an M-shaped curve showing significantly greater numbers at night than daytime, which was consistent with the variation trends of C/N,13C,15N, suggesting that the MCR was mainly controlled by temperature over a day, and affected the elemental characteristics of POC. Spatially, the MCR in the trench stations were significantly greater than those in the non-trench stations and affected by NPP, with more complexed variation patterns. In the end, the respiratory degradation rate of NPP by microorganisms based on MCR was estimated 0.5%–4.6% in surface water of the Atacama Trench.

Atacama trench; particulate organic carbon; surface water; respiration; temporal and spatial distribution

* 国家自然科学基金, 41806085号, 42076029号; 欧盟委员会基金, ERC669947号; 深圳市科技创新委员会基金, GJHZ20180928155004783号, ZDSYS20180208184349083号; 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), GML2019ZD0210号。赵 昕, 博士研究生, E-mail: 11930932@mail.sustech.edu.cn

李芯芯, 博士生导师, E-mail: lixinxin@sustech.edu.cn

2020-06-08,

2020-10-09

P734.5; P735

10.11693/hyhz20200600163