楚科奇海和加拿大海盆表层沉积物中好气异养细菌的地理分布

1、第19卷第3期2007年9月极地研究CHINESEJOURNALOFPOLARRESEARCHVol.19,No.3September2007研究记录高爱国陈皓文(国家海洋局第一海洋研究所,青岛266061)提要本文用MPN法测定楚科奇海和加拿大海盆表层沉积物中好气异养细菌(GAB)的含量,并对其地理学分布进行分析。结果表明,研究区GAB的检出率高达100%。4时GAB的含量26-16-1范围、平均含量为4.00102.4010个g、1.7110个g。25时GAB的含量范57-17-1围、平均含量为2.40102.4010个g、1.1010个g。无论是含量范围,还是平均含量,均是25时的培养结

2、果大于4时的培养结果。GAB含量的地理分布趋势是随纬度增高,含量呈降低趋势。在经度变化上则为由东向西,含量呈降低趋势。对沉积物所处水深的分析,表明其在4培养得出来的GAB含量随水深增加有下降的趋势,25培养出来的GAB含量受环境影响较小,与水深变化关系不明显。关键词北冰洋楚科奇海加拿大海盆好气异养细菌地理学分布1前言北冰洋虽然地处寒冷环境,但与世界其他大洋区域一样依然广泛分布着好气异养细菌(GeneralAerobicHeterotrophicBacteria,简写为GAB,下同)。此类环境包括不同深度水层及其下伏的沉积物。好气异养细菌的广布性(cosmopolitan)、数量巨大及生物多样性

3、(biodiversity)使它们在包括北极在内的环境中发挥着久远而重要的作用,这些作用包括海洋中的物质转换、能量输送、生态系统的循环、被损环境的修复以及为人类提供可持续利用的资源等等。海洋表层沉积物作为底层水与沉积物的介面,对海洋细菌要求有两重性:必须适应相对流动的底水,又必须适应少氧甚而缺氧的沉积环境。具体到北极,还必须能适应持续低温环境。在北冰洋的海洋环境中,蕴育着许多相适应的细菌物种,即有相1当数量的GAB,而并非以前想象的那样是“沙漠”。收稿日期2007年3月收到来稿,2007年7月收到修改稿。基金项目国家自然科学基金(40576060、40376017、40176017)资助。作者

4、简介高爱国,男,博士生导师,研究员。主要从事生物地球化学研究。E2mail:aggao。 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 232极地研究第19卷对北冰洋海洋细菌含量所作的各种方法的研究,可追溯到上世纪中后期,如Kaneko24等对北极、亚北极、波弗特海(BeaufortSea)细菌的调研。近10年来,则有Sahm等、Rysgaard、Hagstrom等、Soltwedel等、Ravenschlag等、Junga等、叶德赞等、Chen等对不同北冰洋海区细菌的研究。

5、在研究方法的改进过程中,一些学者仍不忘传统方法,将之8101314与新方法作对比借鉴分析,如Soltwedel等、Junga等、Bano等、Staley等。学者们从不同角度分析了GAB在海洋沉积物中的分布特征与行为,如丰度、地理分布、温度适应性、活性、生物量、群落结构、多样性、生产力、与环境有机质的关系、。研究范围涉及北极比较广阔的海域,用。中国学者的相关研究则很少。本文用MPN()表层沉积物样品的GAB检出率AB的生态地理分布作一分析讨论。125122研究区位于北冰洋靠近亚美大陆一侧的楚科奇海和加拿大海盆间(6680N,148170W)。该区比中国首次北极科学考察时的研究区范围更为广阔,向北

6、、向东扩展。受白令海峡的影响,区内沉积物含有较多营养物质。据沉积环境和样品采集情况,从43个采样站位中选取了24个表层沉积物作细菌学分析,其具体位置如图1所示。3样品的采集2003年7月9月在中国第二次北极科学考察期间,利用考察船“雪龙”号进行沉积物采样。沉积物采样分别用小箱式取样器、多管取样器等,将沉积物样品采到甲板上后,按微生物学要求采集表层(01cm)沉积物的样品,并保存于冰箱中,直至实验室分析。4国内陆上实验室分析微生物学分析自2004年1月起开始做。所用液体培养基为ZoBell2216E,培养基成1512分及制作方法见文献,培养温度的选择参照首次北极科考的研究成果。按MPN法定量称取

7、1g湿样对各沉积物样品作系列稀释,接种好的试管分别于4和25温度中培养3周以上,经常观察培养状况,以试管中见混浊或沉淀/菌膜者为阳性。据GB/17T4789.3-2003计算含量,统计计算GAB的检出率、含量及其分布状态。165结果和讨论5.1GAB的检出率和含量表1列出了研究区GAB在4和25时培养得出的含量状况。由该表可见,研究区24份沉积物表层中的GAB检出率为100%,说明GAB在该研究区乃至整个北冰洋地区 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期高爱国等

8、:楚科奇海和加拿大海盆表层沉积物中好气异养细菌的地理分布22336中的广布性。统计计算表明,4时GAB的含量范围、平均含量为4.00102.4010-16-1个g(湿样,下同)、1.7110个g,25时GAB的含量范围、平均含量为2.4057-17-1102.4010个g、1.1010个g。无论是含量范围,还是平均含量,均是1225时的培养结果大于4时的培养结果。与首次北极科学考察所得结果相比,GAB9含量总体上要高一些。与Ravenschlag等用分子生物学方法分析北冰洋Svalbard岛附近海底沉积物中细菌结果相比,研究区GAB含量要低一些。与我国近海比,目前只有中18国山东的桑沟湾有相应

9、的GAB测定资料,该区GAB含量高于研究区。表1北冰洋研究区表层沉积物个1)Table1.ContentofGABintheOcean站号R01R03C17C16C15C13S11S26S16R15P13P11M1P21P22P23P24B77B78B79水深()415046434244503000380017545326314565613262200188038503800380024000002400000240000011000002400002400000024000024002400002400000130002400000240000440240000240000400240000

10、2400021000002400024000110000252400002400000024000002400000024000024000005.2研究区GAB含量在纬度上的变化将研究区按纬度4为间隔分为4区,从南往北分别是6670N(3站)、7074N(10站),7478N(7站)、78N以北(4站)。统计各纬度区间GAB含量,作GAB随纬度分布趋势图(图2)。结果表明,4时GAB的平均含量变化趋势是随纬度增高而变小,12这与我们在首次北极科学考察时的研究结果相类似。25时的分析数据较少(7074N3站,7478N3站、78N以北1站),前2个纬度区间具有类似的分布趋势,从最7大值看3个纬

11、度区间均为2.4010,25时的平均值均大于4时的平均值。5.3GAB含量的经度变化若将采样站以经度5为间隔,按研究区分作5区,则145150W与150155W为加拿大海盆区(5站),155160W为加拿大海盆陆坡区(3站)、160165W为楚科奇海东区(7站),165170W为楚科奇海中区(9站)。各经度区间GAB的变化见图3。 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 234极地研究第19卷图1研究区表层沉积物采样站位图(2003年79月)Fig.1.Sketchof

12、samplingstationsforGABinsurfacesedimentsfromtheareasurveyedintheArcticOcean图2北冰洋研究区表层沉积物GAB含量随纬度的变化Fig.2.ComparisononcontentofGABinsurfacesedimentsamonglatitudessurveyedintheArcticOcean 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期高爱国等:楚科奇海和加拿大海盆表层沉积物中好气异养细菌的

13、地理分布2355个经度区间GAB含量的平均值及最大值表明:4时随经度由西向东而变小,25时由5-1西向东5个区的样品数为2、1、3、0、1,除楚科奇海东区C19站含量(2.4010个g)较低外,其余3区含量变化不大。5.4不同水深下GAB含量的变化将采集样品所处水深分4组统计,分别是4155m、175561m、14562200m、30003850m,由浅到深4个区中4、25时的样品数分别是10、5、3、6和2、1、2、2,不同水深环境下的沉积物中GAB含量分布如图4所示。由图4可见,4时GAB的平均含量随水深的增大,低高再低;最小值呈低最低最高;。25的GAB平均含量则与之相反,最低更高;最小

14、值变化为低最高低高。图3北冰洋研究区表层沉积物GAB含量的经度间变化Fig.3.ComparisononcontentofGABinsurfacesedimentsamonglongitudessurveyedintheArcticOcean图4北冰洋研究区不同水深表层沉积物GAB含量分布Fig.4.ComparisononcontentofGABinsurfacesedimentsamongdifferentwaterdepthsintheArcticOcean 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All

15、 rights reserved. 236极地研究第19卷4时在陆架区由于受环境及营养物质等的影响较大,GAB的变化范围较大,最大值7-13出现于水深46m的C17站,高达2.4010个g。其它各站除C15站为2.4010-15-1个g外,其余均大于2.4010个g。因此在水深最浅的浅海陆架区有最大的平均值,即3.5410个g。水深为175561m的外陆架沉积物中GAB丰度较低,为25-14.00102.4010个g,是四个水深区间中GAB含量最低的。这可能与本水深区间沉积物内GAB受环境变化影响相对较大,而营养物质也相对较少有关。从陆坡到深4746海盆的两个水深区间内GAB分别为2.4010

16、2.1010和1.302.4010-1个g。在这两个水深区间内的GAB。25时GAB在四个水深区间的分布是:2.4010个g,与41mm区间的最大值一致,与14562200m2.g,其余3个水深区间有2个GAB丰7-16-1度值,g,分别见于4155m区间和14562200m区间,与m,因此可以认为在25培养条件下GAB丰度与水深关系不大,(14562200m)的相对较低。这表明,北冰洋表层海洋沉积物GAB含量的控制因子是复杂的,而且不一定随所处水深变化而变化。5.5温度对GAB含量的影响首次北极科学考察时曾在4、15、25和28这四个温度下,分别进行培养试验。试验表明半数以上的GAB适于较低

17、温生存,大约三分之一的GAB适宜生存于2528的较高的温度范围。本次研究选择4、25这2个培养温度,结果显示无论是含量范围,还是平均含量,均是25时的培养结果大于4时的培养结果,而且是本次结果高于首次调查结果。这一方面与本次调查采用了更为严格的采样与样品保存方法有关,另一方面也意味着温度筛选细菌、细菌选择适应温度这一互动作用,北冰洋海区细菌对环境温度有相当的适应能力。研究区表层沉积物不仅存在大量嗜冷菌,而且也蕴含许多中温菌。随着过量碳排放致全球气候的变化及洋流变暖的影响,北冰洋海洋沉积物也必然经受着变暖过程的影响,尽管它有强大的自我调控能力。比如本次调查与首次北极科学考19察时相比,底层水温、

18、盐度都有明显提高,而最小值、最大值也均提高。这势必要求所存在的微生物做出相应变化,以维持其生态平衡。水温直接影响表层沉积物细菌生命活动和代谢速率,进而影响其环境的生物地球化学进程,这可能暗示北冰洋海洋环境的变化,人们必须对此深刻反思。通过以上分析可以推断,研究区的GAB主要受物质来源与所处生态环境控制。从白令海峡、东西伯利亚沿岸流及麦肯齐河带来的有机质是影响GAB分布的主要因子,而水深的大小、水温的高低、微生物的种类特征对GAB的分布有重要影响,相关的研究还有待深入进行。致谢此项工作是由国家财政部资助,国家海洋局极地办公室组织实施的“中国第二次北极考察项目”的一部分,感谢中国第二次北极考察队在

19、样品采集中给予的支持。1251 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期高爱国等:楚科奇海和加拿大海盆表层沉积物中好气异养细菌的地理分布237参考文献1陈敏,黄奕普,等.北冰洋:生物生产力的“沙漠”?科学通报,2002,47(9):707710.2KanekoT,HauxhurstJ,KrichevskyM,etal.Numericaltaxonomicstudiesofbacteriaisolatedfromarcticandsubarcticmarineenv

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