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第7章 海洋有机地球化学

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第 7章 海洋有机地球化学第 1节引言一、海洋有机物的重要性1、生命的起源:命出现的年代• 现在的科学家猜想,距今 42 亿年前,最早的原始大气层和海洋在地球上刚形成时,很可能就出现了生命 , 但在距今约 39亿年前的时候,地球惨遭陨星撞击,最初的大气、海洋和生物迹象被彻底摧毁,一切从头开始。• 在格陵兰西部发现的含有碳氢化合物的化石表明,在 38亿年前生命或许就重新开始了。间隔时间如此之短,实在是一个奇迹。命产生的机制( 1)无机合成说 :• 19世纪早期,弗里德里希 ·维勒首次在实验中人工合成了尿素,有机化学就此创立。人们认识到,有机物在没有活体生物介入的情况下也能产生出来;• 20世纪 20年代,俄罗斯生物化学家亚历山大 ·伊万诺维奇 ·奥巴林注意到,油分散后形成的小油滴,表面上与那些简单的球形细胞很相似,他推测,如果 C、 H、 N、 种最基本且最丰富的元素结合到一起,它们就会形成生物的有机 “元素”,然后, 像 着,这个假想的 “原始汤”与其周围的物质进一步聚合,或许就 生成了酶,最终形成复杂的蛋白质。• 1953年,芝加哥大学的研究生斯坦利 ·米勒将甲烷、氨 和氢的混合物注入水中,并持续放电,几星期后,瓶子里的水变成了黄绿色,有机分子合成了,其中包括 25个氨基酸分子,这种物质是构成蛋白质的基本物质之一。此后,辐射和紫外线等被引入试验,合成出更复杂的分子,其中就有形成核酸的基本要素 —腺嘌呤。存在问题:这些合成的分子如何最终形成生命?至今还不清楚。问题的核心不在于氨基酸,而在于蛋白质。• 你把氨基酸串在一起,就得到了蛋白质,但事情不是如此简单,按照统计概率法则,氨基酸要按照特定排序形成蛋白质是不可能的。例如,血红蛋白这一比较 “小”的蛋白质含有 146个氨基酸,其排列组 合方式有 10190种可能性。剑桥大学的化学家马克斯 ·佩鲁茨花了 23年时间才明白:想要随随便便制造 哪怕一个蛋白质分子似乎是不可能的,更何况蛋白质有几十万种。( 2)太空说• 1871年,开尔文勋爵在一次会议上提出: “生命 的种子可能是陨石带到地球上的 ”。• 1969年 9月,一个火球在澳大利亚墨奇森上空爆炸,接着石块像雨点一样纷纷落下,对这些陨石进行的年代学测定显示,其年代达 45亿年之久,令人惊讶的是,其上布满了74种之多的氨基酸,其中 8种跟形成地球上的蛋白质有关; 2001年的分析表明,其还含有一系列复杂的糖。• 2000年 1月,一块碳质球状陨石降落在加拿大塔吉什湖附近,它同样存在丰富的有机化合物。• 哈雷彗星大约 25%是有机分子,要是它们经常坠落在地球上,地球就有了生命所需的基本元素。• 存在问题:( 1)没有回答生命是如何产生的问题,只是把责任推给别的地方;( 2)证据仍不足。命出现的形式2001年,科学家们发现,在海洋的热液区,古生菌可能是数量最丰富的有机体,它们可以承受高盐度( 35‰)、高温( 113ºC)、高压和强酸性 ( )。因此推测,在地球生物演化的早期阶段,这些微生物或许曾繁荣昌盛,更好地了解他们,很可能会为研究生命起源提供一个新的视角。2、海洋有机物生物地球化学循环的重要性( 1)有机组分在海洋储圈中具有重要地位,因为它们直接影响着各种海洋生命,对于探索地球生命的起源也具有一定的意义。( 2)有机组分构成了所有生物的组织,同时也是异氧生物的主要食物来源。( 3)海洋生物除了将有机组分作为生长所需的物质与能量来源外,还利用其作为相互联系的中介。• 有些海洋生物会分泌被称作信息素的有机组分来吸引异性;• 有些生物会分泌有毒的有机组分来抵御其它生物的进攻;• 而有些生物则利用有机组分作为有毒物质的解毒剂等。• 海洋生物体内或释放至环境中的这些有机组分对于人类来说具有重要的实用价值,可用于药物、食物填加剂、润滑剂等的提取与合成。( 4)在海水体系中,尽管有机物含量占总含盐量的比例不足 但有机组分可通过络合和吸附作用与许多痕量元素结合,从而影响这些元素的地球化学行为与生物活性。( 5)海水中的颗粒有机物是 C、 N、 至埋藏在沉积物的主要载体,对海洋生源要素的生物地球化学循环也有明显影响。( 6)海洋沉积物中的有机组分会影响海洋沉积物的性质,如增加颗粒物之间的黏性,限制其再悬浮,从而为底栖生物提供充足的食物来源。另外,它们也提供了化石燃料形成以及古海洋学事件的诸多信息,为反演海洋演化历史提供了极佳的指示剂。二、海洋有机地球化学研究1、研究范畴:• 海洋有机地球化学是海洋学的一个分支,它主要通过研究与碳相关的物质来揭示海洋生态系的结构、功能与演化。• 海洋有机地球化学所研究组分均包含元素碳,且每一个碳都与另外 H、 O、 N、 成具有不同粒径、不同极性、不同电荷以及不同环境行为的各种各样分子。2、海洋有机地球化学的挑战:如何鉴别、定量出每一种有机组分?• 迄今为止,溶解在海水与保存在沉积物中的有机物至少有一半以上仍未鉴定出来。• 海洋的有机组分通常以痕量、复杂的混合物形式存在,它是不同来源、不同年龄、不同反应历史的集成产物,而通常所采用的分子水平的化学分析方法仅仅是特定地测定其中某一组分,往往不能代表混合物的整体。第 2节海洋有机物的组成一、海洋有机组分的分析( 1)简单的分子式 —2O)106(6用 来表征有机物的平均分子组成,但实际上,海洋有机物质是由一系列不同分子组成,从低分子量的烃类( 高分子量的聚合物(腐殖酸)。( 2)由于分析技术所限,有机组分的浓度通常是操作性定义的:( 3)有机组分在海水中会以溶质、胶体、固体形式存在,一些较小的颗粒物,如细菌和胶体被包括在操作定义的 4)用于揭示天然有机组分特征的分析技术可分为两类:可获得有机物主要组分的整体性质,如 C、 谱特征。利用色谱方法将某组分分离出来,并进行相关定量分析,因而能提供某一特定类别有机组分及其所参与地球化学过程的信息。二、海洋有机储库的构成海洋中的有机物主要以溶解态或胶体态形式存在,二者所占储量在同一数量级。1、溶解有机物( 1) 海洋 前仅其中 10‾20%的组分被鉴别出来;( 2)海水 水化合物、类固醇、乙醇、氨基酸、烃类、脂肪酸)组成 ;( 3)测量 单一有机组分的测量目前数据仍十分稀少,因为单组分有机物的浓度均小于 1 μ此需要从几升海水中 加以富集才能测量。2、颗粒有机物( 1)颗粒有机物包括活体和死亡的浮游植物、浮游动物、细菌,它们的降解或分泌产物的聚合物等。( 2)海洋 酸和蛋白质 陆地植物为适应生长环境,往往合成无氮的有机聚合物用于支撑其结构(如木质素、纤维素)或保护其结构组织(如鞣酸、角质),因此陆源有机物往往具有低的 N/水生有机物由于存在浮游植物和细菌的贡献,其 N/ 对于有机物的微生物降解作用,由于需要 此,富氢贫氧的有机组分(如类脂、角质、蛋白质等)往往有高的氧需求( 比值大于 而贫氢富氧的组分则需要较少的氧气( 比值小于 3节颗粒有机物一、 提供速率估计为 4× 1016 gC/a;• 通过河流输送进入海洋的 109gC/a,远小于初级生产过程产生有机物的速率;• 通过大气沉降进入海洋的 产力的几个概念总初级生产力( :单位时间光合作用生物所固定碳的总量。净初级生产力( 单位时间光合作用生物所固定的总碳量减去其代谢过程所消耗的碳量。新生产力( 再生生产力(由光合作用区域以外所提供营养盐支持的净初级生产力份额,称为新生产力,由光合作用区域内再循环营养盐所支持的净初级生产力份额,称为再生生产力。输出生产力( 不在光合作用区域内被消耗或再生为无机碳和营养盐,而是通过有机颗粒的沉降与溶解有机物的交换从光合作用区域迁出的净初级生产力份额,称为输出生产力。在稳态条件下,输出生产力等于新生产力。典型海域的(净)初级生产力海洋初级生产力的空间变化光合作用碳的归宿• 约 10%以低分子量有机组分的形式(如氨基酸)分泌至水体中,这些分泌的组分会快速地被细菌所利用。• 绝大多数的植物细胞被滤食性小型动物(鞭毛虫、原生动物)所摄食,进入到海洋食物网循环中。• 未被摄食的植物细胞死亡后,它们的细胞膜快速溶解,细胞内的 被细菌快速地利用。这一过程大概消耗光合作用固定碳的 10‾50%,一些碳以 大部分被结合成为细菌生物量。• 海洋浮游植物等被浮游动物摄食后,浮游动物的粪便、蜕皮以及死亡的浮游植物便构成了海洋碎屑颗粒有机碳的主要来源,这些碎屑有机物会通过聚集与包裹作用 ,在重力的作 用下,颗粒有机物的聚合体往中深层海洋输送,期间未被微生物作用等降解的有机碳可最终被埋藏在沉积物中,脱离海水体系碳的循环。• 颗粒有机碳的垂向输送与埋藏是海洋颗粒有机碳的最主要归宿。活体浮游藻类、细菌类生物的聚集体和小型浮游动物及它们的卵和幼体;• 各种生物的碎屑与他们的粪便;• 生物骨架结构、陆源或大气沉降组分的有机物;• 由海水溶液沉淀、吸附至颗粒物的有机物。颗粒有机物既包括活体有机物,也包括非活体有机物,这两类组分在海洋中会以不同比例存在,从而影响颗粒有机物的组成与性质。二、 布与组成变化文献报道的颗粒有机碳含量与所采用的颗粒物采集方法有关。有关水体颗粒有机物含量与分布的数据大多基于过滤方法获得,而有关颗粒有机物输出通量研究的数值由沉积物捕集器获得。开阔大洋表层海水水等陆地天然水。• 受陆源输送有机物的影响,河口与近岸海域海水 在光合作用强烈的真光层中, 真光层颗粒有机物主要由浮游植物所贡献,其含量与浮游植物种类及其生理学状态有关。• 鉴于活体 而随深度增加,碎屑有机物的贡献逐渐增加。• 由于富氮有机组分(如蛋白质)的降解速率比贫氮组分(如碳水化合物和类脂)来得快,因而碎屑颗粒有机物中的 C/也就导致了颗粒有机物中蛋白质相对丰度随深度的增加而降低,但碳水化合物的比例逐渐增加。碎屑有机碳输送过程中,影响其转化程度与产物的因素:( 1)深海微生物的种类和丰度;( 2)颗粒物的化学组成;( 3)颗粒物的沉降速率。三、 不同海域沉降颗粒有机碳输出通量存在变化• 不同海域初级生产力与沉降颗粒有机碳输出通量之间的关系也存在变化颗粒有机碳输出通量的时间变化• 浮游植物水华与下覆水体颗粒输出通量的极大值之间往往存在滞后的对应关系,证明生源物质垂向上的快速输送。• 生物种群结构或颗粒物组成明显影响颗粒输出通量。第 4节溶解有机物一、 1)大陆径流输入;( 2)大气沉降输入;( 3)有机物的内部来源。大陆径流输入• 河水 流是海洋 通过河流输送进入海洋的总有机碳( 33× 1012a,其中 陆源有机物进入河口区后,由于絮凝作用及沉淀作用等,部分有机物沉淀在近岸海域。• 河口区 气沉降输入• 有机碳通过干、湿沉降输入海洋,但二者是很难区分的;• 计有机碳通过降雨进入海洋的速率为 1014 gC/a,与径流输送的数量相当• 出,上述数值不能代表通过大气沉降进入海洋的有机碳净输入,原因在于存在通过气泡、波浪破碎等由海洋向大气输送的有机物,降雨中的一部分有机碳实际上是再循环的。• 究了海洋气溶胶的脂类物质组成,证明气溶胶中的有机物主要来自陆地,且湿沉降是大气输入的主要途径。有机物的内部来源• 海洋生物是海水有机物的内部来源之一,它们通过分泌代谢产物或死亡后的分解,往海水中添加各种有机物质,但是,除了初级生产者外,其他的海洋生物实际上不是有机物的真正来源,而是有机物的转换者。海水中 1)浮游植物的细胞外释放;( 2)摄食导致的 3)细胞溶解导致的 4)颗粒物的溶解;( 5)细菌的转化和释放。( 1)浮游植物的细胞外释放• 初级生产力测定过程中,测量进入到滤液相有机物中的 14测定浮游植物光合作用过程中所释放的 已有研究表明,细胞外释放的份额变化很大( 0, 1991)评估了文献结果,得出细胞外释放占初级生产力的份额平均为 13%;• 生物种群结构、光强、营养盐、温度等对该份额均有影响。( 2)摄食导致的 浮游动物摄食浮游植物或细菌过程中,可通过同化物质的释放)、 食过程中被摄食生物的破碎)和 泄粪粒)等方式向水体中释放 3)细胞溶解导致的 当细胞被病毒或细菌溶解时,向水体释放 病毒导致的溶解:海水中病毒丰度很高,介于109‾1011个 /L,比水体中的细菌丰度高约 2‾25倍。• 病毒感染细菌或浮游植物细胞可向水体中释放水中 10细菌死亡是由于感染病毒所致,全球海洋初级生产力的 ‾3%是由于病毒溶解而消耗。• 细菌导致的溶解:浮游植物和细菌细胞通过细菌的作用而溶解,也会向水体中释放 4)颗粒物的溶解细菌附着在颗粒物上时,可释放出各种酶,导致颗粒物的溶解。已有研究显示,该作用会优先释放 1992)。( 5)细菌的转化和释放• 海洋中细菌的丰度一般介于 107‾109 之间,在海洋活体生物中具有最大的表面积 ;• 异氧细菌是海洋 们将其转化为细菌生物量或无机营养盐 ;• 自氧细菌(如蓝绿菌)是某些寡营养海域的主要初级生产者。• 最近的研究表明,异氧细菌也是有机物的一个来源。( 6)海洋沉积物尽管海洋沉积物是有机物的净汇区,但在区域海洋中,它们可以通过再悬浮成为海水有机物的重要来源之一。二、 30‾8543 m2/d,幅度:285倍上层 100040‾80 μ物过程与非生物过程。1、 1)原核生物:• 异氧细菌是海洋中 们能将500a)直接透过细胞膜进入到细胞中;• 们通过分泌水解酶将 而吸收进入到细胞中。• 细菌生产力( 示 1988)分析了各种特征海域的细菌生产力及其季节和年际变化,得出海洋细菌生产力平均占初级生产力的份额为 31%;( 2)真核生物:• 某些海洋真核生物能够直接吸收易降解的 异氧性鞭毛虫可利用 55‾2000 括碳水化合物和蛋白质);海洋脊椎动物可有效利用单糖、自由氨基酸等 、 1)光转化:• 海洋环境中, 量转化为 一些研究表明,光化学降解可将 光化学过程同时也会释放一些易被生物利用的 N、 氨基酸、 1997)估算出光化学反应迁出的( 2)颗粒物对 1996)发现东北太平洋深层水中 龄”(△ 14C)远远“老”于上层水 于深层水 其输送时间尺度较短,深层水与上层水 者推测一些 “老”的 、 海洋 括周转时间长达成百上千年的难降解物质,也包括仅几分钟或几天的不稳定组分;• 根据 将海水 半易降解(难降解(个部分。易降解 海水中 近岸海域与河口区因得到陆源输入等的影响,仍低于湖水等地表水中的含量。海洋水体 1)上层海洋 间变化:开阔大洋温盐跃层所控制的水体垂直稳定性对表层水 直稳定性高的水体, 直稳定性低的水体,升流海域,由于低 层水 纬度上层水体最高;• 水平方向上,由低纬向高纬,垂直方向上由表层往中深层, 水体垂直稳定性对表层水 直稳定性强的水体, 直稳定性低的水体, 上升流存在的海域,由于低 层水 赤道太平洋。赤道太平洋 层水 1960海水 1992)报道的百慕大与夏威夷附近海域深层水 μ 1992)的结果甚至显示深海水 1998)重新对深海水 果显示,深层水 平洋、大西洋、印度洋深层水 北大西洋深层水较高 沿着大洋环流路径,由于 南极底层水的形成并没有引入更多的 南大洋深层水 南大洋至南太平洋和南印度洋, 什么?可能与边缘海的输入有关;• 从南太平洋至北太平洋,为何 深层水 菌是否仅满足于如此贫瘠的口粮( 14 μM)?或是古菌的作用?或 是沉降颗粒物的吸附迁出?3、 冬季时,表层水 此同时,混合作用将大量新营养盐提供至表层,夏季时,浮游植物水华导致表层水高 高、低值可相差几十 μM。中纬度海域:季节变化不如高纬度海域明显;高低值往往仅相差 3‾6 μ有明显季节变化,但存在年际变化北太平洋 否存在可测量的时间变化仍存在争议• 2001)对 1998)对 年的测量没有观察到深层水 1998)对北太平洋东部海域进行的连续2年的测量显示, 化幅度达 8 μM。复习题• 什么?•
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