利用生物标志化合物研究西太平洋雅浦海沟沉积有机碳的来源、分布和保存

Trenches with water exceeding 6000 m are seen as huge “trappers” of organic carbon in marine environment. Due to abundant accumulation of organic carbon, unique topographic feature and active microbial activity in trenches, researches on the source, distribution and preservation of organic carbon in these regions are important for understanding marine carbon cycling. However, there has been rare research studying the biogeochemical processes of organic carbon and control mechanism in this environment subjected to the extremely high pressure. In this project, we choose the Yap trench (west Pacific) and the sediments collected from different water depth of both side slopes as the studying area and research object, respectively. We will focus on the relative contributions from marine phytoplankton, terrestrial plant and micro-organism derived organic carbon to the total sedimentary organic carbon pool based on the contents and compositions of taxonomic fatty acids and further estimate possible species and biomass of microorganisms in the sediments. Moreover, we will further study the distribution and preservation of total and different sources sedimentary organic carbon in different regions of the Yap trench under the comprehensive influence of complicated hydrodynamic conditions, redox conditions and active microbial activities, through integrating the geochemical and biomarker indicators (e.g. alkanes and pigments) with in situ hydrological observation. This study will help to expand the new insight of the role of this unique environment played in the marine carbon cycling.

水深超过6000米的海沟是海洋环境中有机碳巨大的“捕获器”。海沟中丰富的有机碳积累，独特的地形特征和活跃的微生物活动，使得研究该环境中有机碳的来源、分布和保存，对理解海洋碳循环具有重要意义。然而，由于极端高压条件限制，目前对该环境中有机碳的生物地球化学过程的研究依然鲜见报道。本项目选取西太平洋雅浦海沟为研究区域，以海沟两边侧坡不同水深沉积物为研究对象，利用特征脂肪酸含量和组成来研究雅浦海沟不同区域沉积有机碳中海洋浮游植物、陆地植物和微生物来源有机碳的相对贡献，并评估微生物的可能种类和生物量。同时，结合沉积物粒度组成等地球化学参数，烷烃、色素等生物标志化合物指标以及原位水文环境观测，深入研究复杂水动力条件、沉积环境氧化还原性和微生物活动控制下雅浦海沟不同区域总沉积有机碳以及不同来源有机碳的分布和保存过程。本项目的实施有助于拓展海沟这一独特环境在海洋碳循环中所起作用的新认识。

大洋中水深超过6000米的海沟等超深渊环境被认为是海洋环境中巨大的沉降颗粒物“捕获器”和活跃的“微生物反应器”。那么如此丰富的有机碳是通过何种途径途径输送进入海沟的呢？是自然沉降，还是沿坡“侧向输运”而来的再悬浮有机碳，亦或是沉积物中原位生长的化能自养微生物来源有机碳？同时，海沟内部不同区域有机碳的源汇过程差异是否显著？本研究即以海沟沟壁不同水深站位的沉积物为研究对象，以现场水文和地形观测数据为背景资料，通过有机碳及其同位素（13C和14C）等地球化学指标分析、电镜扫描等形态学观测技术以及端元混合模型等方法，明确了超深渊中沉积有机碳含量、组成、分布、保存和埋藏特征及其影响因素，并建立了沉积有机碳的收支箱式模型。研究结果表明，1）海沟内沉积物的横向输运引起的漏斗效应，导致了显著的颗粒物物理汇聚作用，沉积物沉积速率、表层沉积物有机质含量均随水体增加而显著升高；2）海沟侧坡沉积物在横向输过程中会发生显著的水动力分选过程，富含有机质的细粒级、低密度颗粒物可以沿坡向下输运，而高密度的玄武岩碎屑易于在海沟浅部堆积，坡度较低的大洋板块侧坡具有更高的有机质含量；3）不同粒径和密度颗粒物上有机质来源的差异，导致海沟内部沉积有机碳组成的空间异质性；4）微生物群落中的细菌丰度显著高于古菌丰度，两者的丰度均随深度的升高而显著降低，并受到沉积物组成等环境因子的显著影响；5）沉积有机碳的质量累积速率随深度升高而升高，导致海沟内部沉积有机碳的降解速率随深度的增加而增加，且保存效率显著低于普通海底平原。该研究明确了海沟中碳等生源要素的源汇过程，为深入了解超深渊带在海洋碳埋藏中的作用提供数据资料。