《自然-通讯》报道上海海洋大学深渊海沟耗氧指标研究新进展

近日，国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）在线刊登了上海海洋大学极端海洋研究团队与合作者的最新研究成果《Strong linkage between benthic oxygen uptake and bacterial tetraether lipids in deep-sea trench regions》（海沟区域底栖耗氧与细菌四醚膜脂化合物的强关联性）。该论文以三条太平洋深渊海沟为研究对象，分析了沉积物中来自细菌微生物的细胞膜脂化合物，并结合文献数据，提出了一个能够灵敏指示沉积物耗氧速率的新指标。该工作对于定量评估深海微生物活动强度和沉积有机碳的分解与保存具有重要意义。

氧气是地球生命演化的关键元素，决定了生物的新陈代谢方式。氧气在海洋环境中存在巨大的浓度差异，例如表层沉积物有氧带与深层沉积物低氧/无氧带。此外，人类活动也会改变海洋的氧气含量，例如长江口海域夏季出现的大面积低氧区。因此，开发能够精确指示氧气含量和耗氧速率的指标显得非常必要。当前测量海洋沉积物扩散耗氧速率（DOU）的方法包括沉积物培养、基于氧气剖面的通量计算以及涡动相关定量技术。这些方法往往需要依靠昂贵的现场分析仪器，而且无法应用到长时间尺度的地球演化过程研究。

论文聚焦海洋底栖细菌产生的一类特殊的细胞膜脂生物标志物——细菌甘油二烷基甘油四醚化合物（英文简称：brGDGTs）。早期大量的研究发现细菌可以通过改变brGDGTs 的支链甲基数目、五元环的数目和位置来适应环境变化。最近的研究指出氧气是影响细菌brGDGTs 合成的关键因素，然而目前对于brGDGTs 分子是否可以用来定量指示海洋氧气消耗尚不清楚。作者从阿塔卡马海沟、克马德克海沟和马里亚纳海沟采集了数十根沉积柱，水深范围从4045米到10100米。这些海沟沉积物处于长期的高压和低温极端环境，其沉积有机碳主要来自海洋生物的贡献。这三条海沟位于不同生产力水域，分别为贫营养的马里亚纳海沟、中营养的克马德克海沟和富营养的阿塔卡马海沟。由于俯冲带海沟地震引起的快速堆积，这些沉积物的溶解氧含量随着沉积深度呈现快速的变化，其中扩散耗氧速率DOU的变化范围相差数十倍，意味着这些海沟具有明显不同的微生物活动强度。因此，深渊海沟是一个检验brGDGTs能否作为耗氧指标的理想场所。

图1：研究站位地理分布与不同站位的原位溶解氧微剖面。

研究结果显示，无论是海沟间还是海沟内部，氧气扩散速率DOU都是影响brGDGTs组成和分布的最重要因素。基于DOU与不同brGDGTs化合物之间的强相关性，研究团队建立了异构-甲基化指标（英文缩写：IMBT）。IMBT指标反映了无环brGDGTs的异构化和甲基化程度，与DOU之间表现出显著的相关性（r = 0.88； P < 0.001；图2）。在此基础上，论文整合了已发表的全球海洋数据，结果显示无论是在区域尺度还是全球尺度，IMBT指标与DOU之间都呈现随水深增加而下降的趋势（图3），该结果支持IMBT指标的广泛适用性。

图2： IMBT-DOU指标及其敏感性分析。

图3： IMBT-DOU指标的区域性与全球性证据。

本研究建立了利用brGDGTs定量指示深海DOU的分子指标（IMBT)，加深了学术界对产brGDGTs海洋细菌对海洋环境适应性的理解。相比使用昂贵的现场测试设备，该指标更适合广泛的深海调查研究。此外，鉴于brGDGTs化合物在沉积物中可以保存数百万年甚至更久，这类化合物为探索地质历史时期的海洋耗氧变化提供了可能。由于深海耗氧主要受控于微生物活动，而微生物是深海碳循环的关键推手，因此IMBT指标对研究沉积有机碳的降解保存以及底栖微生物活动也具有积极的意义。

海洋科学与生态环境学院许云平课题组毕业的博士生、现为南丹麦大学玛丽居里学者肖文杰为论文第一作者，肖文杰、许云平及学校“极端海洋环境生命过程和生物资源创新引智基地”（111引智基地）外方专家、南丹麦大学Ronnie Glud院士为论文共同通讯作者。其他合作者包括南丹麦大学Donald Canfield院士、Frank Wenzhöfer教授和南方科技大学张传伦教授。研究得到了国家自然科学基金、丹麦国家研究基金和深圳海洋地球古菌组学重点实验室的支持。

（供稿：海洋科学与技术系）