全球变化条件下典型海洋浮游植物生物标志物与生物量定量关系的研究

Understanding the quantitative relationship between biomarkers and biomass is critical in re-constructing the paleo-aquatic ecosystems, since the information of primary production and phytoplankton community structure of the paleo-aquatic ecosystems can be recorded in biomarkers. The production of biomarkers varied greatly in different environmental conditions, and the impact of multiple environmental factors on phytoplankton biomarkers is complex. Until now, the quantitative relationship between biomarkers and biomass under variable environmental conditions has not been reported. As a result, the paleo-aquatic ecosystem is yet to be re-constructed quantitatively. This project plans to evaluate quantitatively the relationship between the concentrations of three lipid biomarkers (fatty acids, sterols and alkenones) and phytoplankton biomass for three typical phytoplankton in the Bohai, Yellow Sea and East China Sea in semi-continuous cultures in response to different environmental conditions (pCO2, temperature and nitrogen to phosphorus ratio). This study would contribute to a better understanding of quantitative reconstruction of primary production and phytoplankton community structure, and help to estimate marine ecosystem dynamics in the changing oceans.

古海洋生产力和浮游植物群落结构信息可以长期记载在生物标志物中，掌握生物标志物与生物量的定量关系是实现定量重建古海洋生态系统的基础。浮游植物的生物标志物产生量在外部环境因子的影响下会发生变化，而且多环境因子对生物标志物产生量的联合作用非常复杂。但是目前对于浮游植物中的生物标志物和生物量定量关系的研究还未见报道，尤其是关于多种环境因子对类脂生物标志物与生物量定量关系影响规律的研究还未开展，这制约了古海洋生态系统定量重建工作的进展。鉴于此，本项目拟在实验室半连续培养条件下，探索全球变化（CO2浓度、温度和氮磷比）条件下东中国海三种典型浮游植物微藻中的类脂生物标志物（脂肪酸、甾醇和长链烯酮）与生物量的定量关系，揭示多环境因子对微藻类脂生物标志物和生物量定量关系影响的规律。项目的研究成果对于古海洋浮游植物生产力和群落结构的定量重建以及未来海洋生态系统变化的预测具有重要的科学研究价值和应用前景。

海洋生物泵调节着大气CO2浓度，对地球气候的调节具有重要作用。不同海洋浮游植物类群对海洋生物泵的作用不同。目前我们对利用生物标志物法重建古生产力和群落结构还缺乏定量了解，影响到对整个海洋生态系统演变的定量评估。为建立海洋浮游植物生物标志物与生物量定量关系，本项目测定了多种环境因素影响下微藻类脂生物标志物的组成和含量，分析了类脂生物标志物与生物量的定量关系；测定了典型海域表层悬浮颗粒物中类脂生物标志物的组成和含量，对浮游植物生物量和群落结构的时空分布特征及其控制机制进行了研究。取得的主要研究结果如下：.1）量化了多种环境因素对硅藻（三角褐指藻）和隐藻（红胞藻）两种食物质量指标（元素和脂肪酸）的影响：温度升高和寡营养盐条件对两种食物质量指标具有较强影响，而高CO2分压对两种食物质量指标的影响较弱。.2）量化了多种环境因素对颗石藻赫氏艾密里藻的元素和脂肪酸组成和含量的影响：胞内C:N:P化学计量学对营养盐N:P变化的响应最为明显，多不饱和脂肪酸含量则对温度和CO2分压变化的响应最为明显。.3）对典型浮游植物类群硅藻、甲藻和颗石藻类脂生物标志物（菜子甾醇、甲藻甾醇和长链烯酮）的研究指出，生物标志物法重建特定浮游植物类群有机碳通量具有约3倍的不确定性；并且温度和营养盐N:P会改变类脂生物标志物的产生量。.4）对表层悬浮颗粒物类脂生物标志物的研究表明，在东、黄海夏季和春季生物量的主控因素分别是长江冲淡水携带的营养盐和浊度导致的光合有效辐射的变化。在东海东北部和对马海峡西部海域，夏季高生物量的主控因素是长江冲淡水携带的高营养盐，而秋季大洋区域高生物量的主控因素可能是次表层水提供的营养盐。.本项目的研究成果发表在Limnology and Oceanography等高水平SCI期刊。项目执行期间开展了国内外学术交流，提升了青年学者的研究水平。研究成果对于定量重建过去浮游植物对海洋有机质通量的贡献、预测未来该贡献的变化，以及理解地球气候的演变具有重要意义。