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《中国科学院海洋研究所在沉积物-海水界面砷释放作用机制方面研究取得新进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者： 熊萍
  • 发布时间：2025-02-18

  • 近日，中国科学院海洋研究所宋金明研究团队研究发现长期缺氧导致沉积物-水界面（SWI）砷（As）的额外释放会带来巨大的生态风险，该研究为评估近岸缺氧水域沉积物中As及其它元素循环过程提供了科学基础，相关成果以“Hypoxia exacerbates the marine ecological risk of arsenic: by stimulating its migration and release at the sediment-water interface”为题发表在国际学术期刊（Nature Index）《Water Research》（IF=11.5）上。该研究是其团队在2023年发表于《Water Research》关于海洋藻华在沉积物-海水界面砷释放作用机制研究的系列成果。

    近年来，由于富营养化和水体分层加剧，中国近海的缺氧趋势日益显著。这种缺氧状况对沉积As的释放及生物可利用性产生了极为显著的影响。然而，在缺氧加剧的进程里，As迁移的具体路径与相伴而生的风险依旧扑朔迷离。

    宋金明研究团队基于长江口过去40年的溶解氧（DO）变化开展模拟实验，探析了不同时期DO转折点SWI上As迁移的内在机制及潜在生态风险，评估了过去40年长江口低氧条件下沉积物As的释放通量。研究结果表明，缺氧迅速触发了As(V)与As(III)的释放进程，且As(III)的释放速率高于As (V)，从而增强了海水中As的毒性。SWI溶解总砷（dTAs）释放量及速率与DO的降低呈正相关。尽管在所有实验组中，固相不稳定As主要以As(V)形态存在，但在表层和深层间隙水中，As(V)和As(III)分别占主导地位，同时低DO组中可还原态固相As含量递减，As(V)还原功能基因arrA的丰度显著增加，这表明缺氧环境促进了含As (V)的Fe/Mn氧化物还原溶解，强化了As在表层沉积物与上覆水间的交换；而通过优先驱动As(V)还原加剧深层沉积物向间隙水释放As。尽管As向上覆水的扩散与溶解Fe相似，但由于As(V)还原菌的参与及Mn氧化物的解吸作用，两者之间存在解耦现象。培养结束后，上覆水中的dTAs浓度达到清洁沿海水域的6倍之多，已触及影响微藻解毒机制的浓度阈值。经估算，长江口缺氧期间约有34吨沉积物As释放入上覆水，占表层沉积物砷的17.3%。这一研究不仅填补了长江口缺氧区As循环机制及生态风险的研究空白，也为评估全球缺氧海域沉积物中有毒元素的释放及生态风险提供了新的思路。


    论文第一作者为段丽琴研究员，研究得到了国家自然科学基金、泰山青年专家、山东省基金等项目支持。

    相关论文和链接：

    Liqin Duan,Jinming Song,Meiling Yin,Xiaoqi Liu,Xue Liu,Xuegang Li,Huamao Yuan,2025. Hypoxia exacerbate the marine ecological risk of arsenic: by stimulating its migration and release at the sediment-water interface. Water Research 268,122603.

    (https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122603)


  • 原文来源：https://qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/202502/t20250214_7527668.html
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  • 《中国科学院海洋研究所在揭示海洋藻华在沉积物-海水界面砷释放作用机制方面取得新突破》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2023-10-12
    • 近日，中国科学院海洋研究所宋金明研究团队在揭示海洋藻类爆发通过加强微生物调控作用诱导沉积物-海水界面砷（As）的释放机制解析上获得新认识，量化了长江口每年藻类爆发时期可能触发的沉积物As的释放通量，对于评估重金属As的海洋生态效应具有重要科学价值。相关成果发表在国际学术期刊(Nature Index) Water Research（IF=12.3）。  近年来，近海和河口富营养化日趋严重，富营养化导致的藻类爆发已严重影响到海洋元素生物地球化学循环过程。重金属砷对水生生物具有急性和慢性毒性效应，其毒性会随还原形态的增加而加剧。藻类爆发引发的大量有机质降解会通过改变底层水体氧化还原条件刺激沉积物-水界面As(V)的还原，加剧沉积物中砷的释放，从而对海洋环境构成污染风险。然而，关于富营养化导致的藻类爆发对沉积砷循环的驱动机制和对水体的贡献尚不清楚。 宋金明研究团队以我国典型藻类爆发高频区长江口邻近海域为研究对象，基于藻类爆发高峰期生物量，提出富营养化可导致沉积物-水界面砷释放的三个过程，通过藻类添加培养实验，研究了不同藻类生物量下沉积物-水界面体系中上覆水、间隙水和固相沉积物中砷形态的剖面和时间变化，结合砷相关功能基因，揭示了藻类降解过程中沉积物-水界面砷的释放机制。 结果发现，高生物量藻类添加组中溶解总砷浓度的增加率显著高于实验对照组，且藻类添加组中沉积物-水界面的累积溶解总砷扩散通量是实验对照组的约7倍，藻类降解显著增加了沉积砷的释放。沉积物砷的快速释放发生在有机质的快速好氧矿化阶段；在有机质快速降解阶段之后，砷的释放得以维持。所有实验组的固相活性形态都以As(V)为主要存在形态；而在间隙水中，As(III)和As(V)分别是有机物最初的快速降解阶段和随后的缓慢降解阶段的主要溶解总砷形态，微生物的As(V)还原和Fe(III)还原分别为这两个阶段的主控因素。培养结束后，藻类添加组中异化As(V)还原菌arrA基因丰度相对于实验对照组显著增加，而异化Fe(III)还原菌Geobacter丰度并没有相应增加，说明藻类添加对砷释放的影响大于对铁的影响，且微生物还原而不是物理化学过程是驱动藻类添加组沉积物砷释放的主要途径。根据培养实验砷的扩散通量估算得出长江口夏季藻类爆发阶段可导致1440 kg沉积砷释放到上覆水中。 该研究阐明了富营养化在促进沉积物-水界面As释放中的作用，提出了不同于传统地球化学主控的藻类爆发下微生物还原主控沉积物-水界面As迁移释放的新论点，对沉积物-水界面As的释放和机制过程有新的认识，这对评估砷的海洋生态系统风险具有重要意义。 论文第一作者为段丽琴研究员，研究得到了国家自然科学基金、山东省基金等项目支持。 相关论文和链接：  Liqin Duan, Jinming Song, Yuting Zhang, Huamao Yuan, Xuegang Li, Lingling Sun, 2023. Role of marine algal blooms in the release of arsenic at the sediment-seawater interface: evidence from microcosm experiments. Water Research 244, 120508 (https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120508)
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  • 《中国科学院海洋研究所在北太平洋海水涩度年代际变化研究方面取得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
    • 发布时间：2022-03-20
    • 近日，中国科学院海洋研究所张荣华研究团队在北太平洋涩度年代际变化及其气候效应研究方面取得新进展，首次从Argo观测资料中发现海水涩度信号存在一个完整的年代际循环过程。研究结果发表在学术期刊Advances in Atmospheric Sciences上。 众所周知，海水是咸的，其盐度和温度共同确定密度，又进一步决定海水压力从而控制海水的运动和变化。海洋中温度和盐度的分布、变化及其相互间关系涉及海洋热力学和动力学，一直是海洋科学研究的基本问题。之前的研究大多关注温度的作用，随着盐度观测资料的增多，学者们发现盐度在全球水循环、气候变率和可预报性等方面也起重要作用。海洋中存在两种类型的温盐关系，对应于不同的强迫和反馈过程，对密度等产生不同的影响和气候效应。一种是温盐变化对密度影响是非补偿性的，对密度产生显著的增强效应。这类温盐扰动主要反映了风场的强迫作用，主要反映在温跃层深度变化上，其信号在表层也较为明显(如在海面高度异常中有清楚地显现)，动力学上主要反映了行星波的波动过程(如向西传播的第一斜压罗斯贝波等)。另一种是温盐变化对密度的影响是相互补偿的，可引入涩度这一状态量来描述对海水密度相互补偿的温度和盐度变化现象，如暖而咸（或冷而淡）的海水具有高（低）的涩度，可通过等密度分析来具体定量估算，如在水团分析中经常用涩度来度量在给定的等密度面上海水有多涩（暖而咸）的程度，证实了温盐扰动对密度的影响具有相互补偿的特征。 已有分析表明，涩度信号具有很好的守恒性，便于追踪，是海水物理属性年代际尺度变化现象的一个载体，从而可用涩度来表征年代际时间尺度上温盐扰动所具有的清晰一致的结构特征和时空演变。但由于缺少观测资料，目前对涩度的认知还很有限，例如其时空结构和演变过程及其对海洋环境和气候的影响还不十分清楚；其在连接热带外与热带间充当年代际时间尺度上次表层海洋通道的作用还没有明确的观测证据，特别需要利用长期观测资料来更系统地刻画涩度信号的时空演变，认知其在热带外海洋过程对热带影响中的作用。 为此，张荣华研究团队利用Argo观测到的温度和盐度数据，研究了北太平洋涩度年代际异常及其在海盆尺度上的时空演变特征。利用等密度分析得到涩度变率的三维空间分布。首次发现北太平洋涩度变率存在一个完整的年代际循环过程，分别由一个暖而咸和一个冷而淡的过程所组成。其中暖而咸的涩度正异常信号在2007-2013年间从东北太平洋潜沉进入次表层，之后沿北太平洋副热带流涡顺时针向西南热带海区平流，于2014-2015年到达热带太平洋西边界海区，信号强度明显减弱。另一个海水特性相反的冷而淡的涩度负异常在2014-2020年间也有着类似的演变过程。进一步，通过追踪涩度年代际异常的平流轨迹，发现等密度面上流函数等值线可以充分显示出从东北太平洋露头区到热带西边界的潜沉通道。在海盆尺度上涩度信号演变和相位转换过程中，温跃层潜沉通道中的温度和盐度变化具有高度一致性，反映出对密度的补偿特性。此外，当涩度信号中心传到热带太平洋海区时对应于局地温盐结构的改变，从而产生远程的下游效应。如影响热带海区的层结和稳定度、上层海洋混合等动力过程，从而对热带海洋热力和动力场产生影响（包括海表温度）。这样在年代际尺度上，起源于东北太平洋潜沉过程的涩度信号，表现出沿北太平洋副热带流涡的传播特征和时空演变。另外，还发现南北太平洋中涩度信号传播特征和时空演变的差别。例如，在北太平洋副热带海区潜沉的涩度信号在25 kg m-3的等密度面上随平均环流运动，约5年后到达热带区域；而在南太平洋则只需要2年左右的时间，这种南北太平洋的不对称性和相对重要性可能导致热带海气变率特征的差异性。 当前关于太平洋热带外与热带间相互作用的研究较多地关注于大气过程，对海洋作用的研究比较匮乏。该研究通过分析由盐度效应所引入的涩度这个变量，发现温跃层中的涩度信号在等密度面上有较好的守恒性，反映了海洋中的气候信号长时间记忆能力。这种通过涩度年代际变率的识别及其传播路径的确定，揭示出热带外海洋与热带间存在一个海洋通道，这一潜沉通道的发现有助于阐释北太平洋热带外-热带间海洋过程相互作用和机制，为建立发生在北太平洋的太平洋年代际涛动（PDO）和发生在热带太平洋的ENSO之间的关联提供观测证据，对于解释ENSO的多样性和年代际变化等有重要意义。 该研究由中国科学院海洋研究所博士研究生周光辉和研究员张荣华（通讯作者）共同完成。研究成果获得中国科学院海洋大科学研究中心、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目资助。 相关文章链接： Zhou, G. H., and R.-H. Zhang, 2022: Structure and evolution of decadal spiciness variability in the North Pacific during 2004–20, revealed from Argo observations. Adv. Atmos. Sci., https://doi.org/10.1007/s00376-021-1358-6.
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