近日，中国科学院海洋研究所宋金明、袁华茂研究团队利用新的生物标志物细菌藿多醇（BHPs）和细菌3-羟基脂肪酸（3-OH-FAs），反演了近百年来黄东海低氧、底层水温和氮循环的演变特征，研究成果连续在国际学术期刊Chemical Geology发表。  

　　在气候变化与富营养化的双重驱动下，近海水体低氧日趋严重，并对海洋氮循环产生重要影响。利用有效的环境代用指标研究海洋低氧及氮循环过程演变，有助于更好地解析其变化过程，回答其如何发展而来、又将如何发展下去这一关键科学问题。BHPs是一种同时集合生物来源专属性和环境特异性的微生物标志物，对环境变化响应敏感且保存稳定，在团队前期研究中已证实其在指示低氧环境及氮循环过程（如厌氧氨氧化和固氮）中的潜能。  

　　东海内陆架存在南北两个典型的季节性低氧区，即长江口外低氧区和南部近岸低氧区。然而，由于缺乏长期综合观测，特别是南北低氧区对比研究，目前对两处低氧区的年际变化、区域差异及其对氮循环影响的了解尚且不足。基于此，宋金明研究团队对比分析了东海南北低氧区两个沉积柱中特征BHPs的沉积记录，特别是来源于海洋厌氧氨氧化菌的细菌藿四醇异构体（BHT-x）和固氮蓝藻标志物2-甲基BHT（图1），并结合该海域生产力指标（TOC、HAB）和低氧指标（低氧面积、有孔虫）等（图2），重建了近百年来东海南北低氧区低氧和氮循环的演变历史。  

图1 东海北部沉积柱3100-2和南部沉积柱DH6-1中BHPs ( g/g TOC)及其指标的年代际变化

图2 东海环境指标的沉积记录。（a）低氧面积及最小氧浓度；（b）有害藻华HAB面积；（c）DIN和PO₄^-年输入量；（d）氧化还原敏感元素U/Al和Mo/U；（e）年输沙量；（f）有孔虫密度；（g）C₂₇+C₂₉+C₃₁正构烷烃；（h）总海洋生物标志物；（i）总梯烷脂；（j）年均海表温度变化　　  

　　东海北部沉积柱3100-2中BHT-x ratio的年际变化表明，长江口外低氧在上世纪90年代达到峰值，2000年以来低氧持续加剧。2000年以来由于富营养化的增强，该区域海源有机质（MOM）贡献增加至约80%，其降解是低氧形成的主要原因，同时强烈的水体分层加剧了底层水体低氧。不同的是，尽管2000年后南部沉积柱DH6-1中MOM呈现增加趋势，但其低氧程度显著减弱，这可能是由于该海域水体分层减弱。此外，东海南北沉积柱中BHT-x和2-甲基BHT相似的年际变化表明低氧时期厌氧氨氧化和固氮活动均增强。低氧、厌氧氨氧化和固氮活动的共变说明低氧促进了厌氧氨氧化，这可能在一定程度上会诱使固氮活动增强以补偿氮损失。该研究首次将生物标志物BHPs应用于东海南北低氧区沉积记录，有效揭示了近百年来东海低氧和氮循环的长期演变规律、控制因素及其区域差异，为探明近海生态环境演变特征及毗邻海域人类活动的有效管理提供理论支持和科学支撑。  

　　细菌3-羟基脂肪酸（3-OH-FAs）是革兰氏阴性菌细胞外膜磷脂脂多糖中类脂A的主要组分，细菌可通过改变不同3-OH-FAs的相对含量来调整细胞膜的流动性，以应对外界环境条件变化并维持其正常的生命活动，因此可作为古环境重建的潜在生物标志物。基于3-OH-FAs的组成和丰度研究了黄东海沉积物中3-OH-FAs的来源，并首次构建了指示黄东海暖季底层海水温度的新指标和区域性校正公式。研究发现，黄东海表层沉积物中反异构3-OH-FAs含量较高，而长链正构/异构3-OH-FAs含量较低，与土壤3-OH-FAs组成上的差异较大，表明黄东海表层沉积物3-OH-FAs主要源于海洋自生（图3）。进一步研究发现，3-OH-FAs温度指标与黄东海年均底层海水温度BWT存在显著负相关性且其相关性高于表层海水温度，表明黄东海表层沉积物中的3-OH-FAs大部分来自底层海水微生物的生产，记录了底层海水温度的变化；同时温度指标RAI15指标与夏秋季BWT的相关性更为显著（图4），显示暖季底层海水细菌的原位生产对表层沉积物的贡献更大。与传统指标相比，RAI15指标对暖季BWT的重建更加准确（RMSE = 1.74 ），是极有潜力的海水温度代用指标。  

图3 黄东海和北太平洋表层沉积物与土壤中3-OH-FAs的分布

图4 黄东海表层沉积物3-OH-FAs 之RAN₁₅与不同季节底层海水温度之间的关系

　　论文第一作者分别为中国科学院海洋研究所泮枫敏博士和尹美玲博士研究生， 宋金明、袁华茂和段丽琴分别为论文通讯作者。  

　　论文信息：  

　　Fengmin Pan, Huamao Yuan, Jinming Song, Qingzhen Yao, Xuegang Li, Liqin Duan, Jianwei Xing. 2023. 3-Hydroxy fatty acids as proxies for seawater temperature and pH in the eastern China marginal seas. Chemical Geology, 617: 121258. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2023.121358  

　　Yin Meiling, Song inming, Duan Lliqin, Yuan Huamao, Li Xuegang, Peng Quancai, 2023. North-south differences in hypoxia and nitrogen cycle of the East China Sea over the last century indicated by sedimentary bacteriohopanepolyols. Chemical Geology, 620: 121340. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2023.121340