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铜钼等痕量金属是海洋浮游植物与细菌等微型生物生长代谢所必须的营养物质。长期以来,溶解态金属已积累了大量数据,但对微型生物内的痕量元素组成仍缺乏研究。近年来的研究表明,这些微型生物细胞内的痕量元素含量也存在着一定的差异性,并可能直接决定着微型生物的生长代谢过程。但目前为止,就本人所查文献资料所知,其细胞内元素组成的的动态变化及主控因素尚未有报道。为进一步探究海洋痕量元素参与和影响微型生物生长代谢的这一过程,本论文主要进行了三个方面的研究工作:1)系列室内调控培养实验,对比研究了调控条件下典型代表性微型生物(硫氧化菌(Thiobacimonas profunda JLT2016)、聚球藻(Synechococcus sp.WH 7803)、微绿球藻(Nannochoropsis oceanica))的细胞态痕量元素组成差异与动态变化,并重点分析了这些不同类型微型生物在在不同代谢状态下细胞痕量元素组成随时间的动态变化。通过细致分析整个培养周期内细胞态痕量元素组成的动态变化以及模型构建,本论文进一步探究了细胞态痕量元素组成的差异及主控因素;2)五缘湾中尺度酸化围隔平台培养实验:结合关键环境因子CO2等,探究了围隔体系内浮游植物和原位细菌的痕量元素组成的动态变化;3)九龙江河口与龟山岛浅海热液区-颗粒物(包括微型生物)痕量元素组成调查:通过对这两个存在明显温盐等环境因子梯度的自然水体中颗粒物元素组成及环境因素的时空动态变化进行了全面研究,旨在探讨影响这些颗粒物痕量元素组成的主控因素。本论文的主要研究结果如下:(1)研究发现同营光合自养代谢的真核藻类间细胞态中绝大多数痕量元素组成无显著差异(例如,微绿球藻:Mo(4.6±0.6μmol/L),Cu(41±μmol/L);藻类平均(Hoetal.,2003):Mo(3.1±0.8μmol/L),Cu(35±31μmol/L))。但对于分属真核生物与原核生物的微绿球藻和聚球藻这两类不同类型的微型生物而言痕量元素组成则差异显著,聚球藻中各痕量元素浓度均大于微绿球藻一个数量级以上(聚球藻:Fe(1081±157mmol/L),Mn(1.1±0.16mmol/L);微绿球藻:Fe(13±2mmol/L),Mn(1167±62μmol/L)。这与聚球藻等蓝细菌相较真核光合藻类拥有更高的光系统I(PSI):光系统Ⅱ(PS Ⅱ)值(Raven,1990),PS I中的电子传递过程相较PS Ⅱ需要更多Fe、Mn的参与有关。(2)而对微型生物不同代谢状态的对比发现化能自养相较光能自养对于Mo,Cu的需求较高(硫氧化菌化能自养:Mo(2004±168 μmol/L),Cu(2812±927μmol/L;聚球藻光能自养:Mo(122±5μmol/L),Cu(1027±125μmol/L)),而光能自养对于Mn,Fe需求较高(聚球藻光能自养:Mn(67±6mmol/L),Fe(1081±157mmol/L);硫氧化菌化能自养:Mn(2.8±0.7mmol/L),Fe(183±2 mmol/L))。这与光和电子传递链对于Mn、Fe需求较大,而化能自养对于Mo、Cu为活性中心的硫氧化酶及细胞色素氧化酶的高需求有关。硫氧化菌化能自养代谢下细胞中除Co、Cu外其余痕量元素浓度(Mo:2004±168 μmol/L;Sr:92±1 rmmol/L;Mn:2857±698μmol/L;Fe:1081±157mmol/L)也显著高于异养代谢(Mo:1019±207 μmol/L;Sr:18±4 mmol/L;Mn:479±7 μmol/L;Fe:25±8 mmol/L)。转录组数据也显示化能自养代谢下这些痕量元素相关蛋白及酶表达量较高。(3)通过模型模拟,研究发现微型生物如硫氧化菌在培养初期大量吸收痕量元素(Cu:化能自养:4.6× 10-18 → 16.1 × 1 0-18 mol/cell);异养:3.8× 10-18 →1.2× 10-18 mol/cell)后随细胞丰度增加的稀释效应而降低。同时,研究对细胞丰度(X)及不同代谢时期细胞态痕量元素含量(M)进行了模型拟合:(?)利用模型可获悉微型生物在生长代谢的过程中除满足基本生长需求外对痕量元素的额外吸收及排泄情况,例如研究观察到化能自养代谢下的硫氧化菌在指数期细胞内Cu含量低于基本生长需求拟合线。中尺度酸化围隔实验表明关键环境因子CO2会影响微型生物的痕量元素组成,藻类生长代谢初期及指数期存在高CO2环境下(HC:1000 ppm)细胞态痕量元素含量较高的现象(2 d,Fe:54 mmol/g Chl-a(HC),41 mmol/g Chl-a(LC);Mn:7.1 mmol/g Chl-a(HC),3.0 mmol/g Chl-a)。而原位细菌的细胞态痕量元素含量则在低C02环境下较高(2d,Fe:143188×10-18mol/cell(LC),32066×10-18mol/cell(HC);Mn:6995 ×10-18 mol/cell(HC),2765x10-18mol/cell)。通过以上分析,可得出影响微型生物细胞元素组成的主要关键过程是两个:生长吸收与生物稀释过程。(4)野外调查发现九龙江溶解态Fe在九龙江河口区浓度分布低于保守线,,Mn和Cu浓度则高于保守线,推测存在Fe去除和Mn、Cu添加。颗粒活性较强的Fe、Mn、Cu从河口区由上游至下游溶解态浓度逐渐下降,大部分在河口区被吸附去除了,其在入海端有一部分以颗粒态的形式向外输送。而生物地球化学行为较为保守的Mo不易被颗粒物去除,其溶解态呈现自上游至下游逐渐升高的趋势。颗粒态Fe浓度明显大于溶解态(枯水期:382-3057 μmol/L(颗粒态),13-35 μmol/L(溶解态);丰水期::483-11293 μmol/L(颗粒态),115-2994 μmol/L(溶解态));溶解态Mn浓度明显大于颗粒态(枯水期:60-1694 μmol/L(溶解态),42-359μmol/L(颗粒态);丰水期:248-5388μmol/L(溶解态),150-682 μmol/L(颗粒态));颗粒态 Cu 在最大浑浊带浓度(枯水期:10.6-11.4nmol/L;丰水期:26.0-44.1 nmol/L)大于溶解态(枯水期:1.7-6.4nmol/L;丰水期:10.7-17.3nmol/L),中下游则出现了溶解态Cu浓度(枯水期:1.5-5.3nmol/L;丰水期:16.3-21.4nmol/L)大于颗粒态Cu的情况;基本保守的Mo颗粒态浓度(枯水期:0.2-2.8nmol/L;丰水期:0.7-1.4nmol/L)显著小于溶解态(枯水期:22.9-80.3nmol/L;丰水期:21.8-91.2 nmol/L)。九龙江河口 Fe及Mn的入海通量(入河口通量,F=C×Q,C:河口端总态(颗粒态+溶解态)浓度)大幅大于Cu与Mo,丰水期痕量元素的入海通量(Fe:2.4×108 mol/yr)也明显大于枯水期(Fe::3.2×107 mol/yr;)。颗粒态Fe、Mn、Cu在枯水期均对入海通量贡献显著(Fe:90.6%;Mn:65.7%;Cu:85.9%)。枯水期河水流量下降,使得这些较不保守的痕量元素解吸释放较弱,更多的以颗粒物的形式存在。(5)龟山岛浅海热液区泉内至泉外及附近海域,热液喷发携带大量颗粒物进入周边水体,如颗粒态及溶解态痕量元素浓度只是单纯受海水稀释影响应随着热液与海水不断混合从热液口向周围呈现颗粒态浓度逐渐下降。但研究观察到黄泉口内颗粒态浓度除Mo外均较低,在泉口观察到了 Fe、Mn、Cu明显的添加现象(Fe:397nmol/L;Mn:2.4nmol/L;Cu:1.1 nmol/L),这可能是由于黄泉口环境pH快速上升、温度迅速下降造成了溶解效应的快速下降。同时黄泉及白泉距离较近的扩散站(东南方14-60 m)同时观察到颗粒态Fe、Mn、Cu的增加(Fe:133→313 mol/L;Mn:0.82→1.7mol/L;Cu:1.2→3.5 mol/L)。这些区域痕量元素的添加可能是造成区域生物丰度增大的原因之一。对比九龙江河口及龟山岛浅海热液区各痕量元素的入海通量,发现九龙江河口区的入海通量显著大于龟山岛,达6个数量级以上。本研究结合室内调控培养与野外现场调查,并结合化学与生物手段从细胞及颗粒物化学计量学水平更加深入地探究了微型生物对于痕量元素的吸收、利用情况以及特征自然环境下(河口及热液区)痕量元素的吸附、解吸过程,为深入探索痕量元素的海洋生态学及生物地球化学意义给予支持。