基于FT-ICR-MS和感应纳喷雾离子化法辨析海洋沉积物DOM组分及厌氧降解机制
批准号:
42106054
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
甘淑钗
依托单位:
学科分类:
海洋化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
甘淑钗
中文摘要
海洋次表层沉积物存在大量生物(深部生物圈)影响着地球最大碳库的储存,尚不清楚稳化保存的碳库如何支持生物在深层厌氧环境中存活并被降解。前期研究发现地热释放的沉积物溶解有机物(DOM)包括生物可利用组分及前体,可作为揭示该过程的突破口,但缺乏相应的分析方法。因此,本项目拟开展DOM分析方法探究,以海洋次表层沉积物DOM为研究对象,基于超高分辨质谱技术(FT-ICR-MS)新建提取方法,结合新型纳喷雾离子化技术以提高耐盐性,解决深层沉积物间隙水难以采集、目标信号损失的问题;然后通过受热培养实验,基于新建DOM分析方法辨明生物可利用中间产物以及厌氧降解过程的前体,探明厌氧降解的初始步骤,从而揭示地热作用下深部稳化碳库的活化机制,推动深部生物圈代谢机制的研究。该方法将开创性地实现沉积物DOM的高通量、小体积检测(样品量仅传统方法5%),为打开地球深部碳循环的黑匣子提供科学方法。
英文摘要
Marine subseafloor holds substantial amount of living biomasses (deep biosphere). These microbes might drive a slow but extensive carbon flow and play an important role in the carbon cycle in deep Earth and geochemical processes in upper hydrosphere. It is not clear how the microbes could survive on the old and recalcitrant organic matter (ROM) in subsurface sediments. Geothermal effect may cause the releasing of labile compounds from ROM. Dissolved organic matter (DOM) encompasses the analytical window for the initial degradation of ROM, while there is no suitable method to characterize the DOM of volume-limited pore water in deep subsurface sediments. Moreover, the conventional pretreatments of pore water via solid phase extraction induce selective loss of DOM. This project aims to develop a novel analytical technique for DOM from subsurface sediment by ultra-high-resolution mass spectrum (FT-ICR-MS). Firstly, different extraction techniques will be combined to reduce the selective loss of DOM, especially for the polar and small DOM, which are potentially bioavailable components for anaerobic bacteria or Archaea. After enrichment of DOM, nano-electrospray ionization (nano-ESI) will be applied. It enables a better ionization and signal of rapidly-cycled DOM in FT-ICR-MS with small sample volume and reduces the depression effect of ionization. Lastly, the novel method for DOM characterization will be applied for detection of labile compounds in cultivated sediments simulating the heated deep biosphere. The precursors and intermediates of labile DOM will be characterized for the investigation of initial step of degradation mechanism and thus the activation of refractory carbon pool. The sampling volume is reduced to 5%. The method will open a new window for rapidly-cycled DOM and the largely unknown initial step of degradation process in heated subsurface sediments. Therefore, this method suggests how the stabilized organic matter is transformed to bioavailable and cell-accessible components and throws new light on the ‘blackbox’ of microbe-involved carbon cycle in deep Earth.
海洋沉积物是地球最大的碳库之一,尤其是次表层(10 cm以下)被认为是惰性碳库。过去研究认为,在深层厌氧环境中微生物极少,难以维持有机物的降解过程。然而,自1960年代以来,国际深海钻探计划和大洋钻探计划的实施揭示了深部生物圈的重要性。这一生态系统(海底沉积物1 m以下),其生物量可能占地表总原核生物量的一半以上,来自地球内部的能量和物质流动支持着未知的生命活动与资源形成。厌氧条件下产生的甲烷等影响地表的温室气体与气候响应。因此,深入了解厌氧条件下的有机碳存储和释放机制是当前地球科学与环境科学的重要问题。..本项目围绕沉积物次表层沉积物中溶解有机物(DOM)的影响展开,重点探讨其在厌氧条件下(包括硫酸盐还原以及产甲烷条件)的降解机制。具体研究内容包括:首先,构建一种基于傅立叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICR-MS)的高通量、小体积DOM分析方法,以减少样品需求并提高检测灵敏度;其次,通过实验室模拟研究,分析不同条件下DOM的组成变化及其生物可利用性;最后,认识厌氧条件下的转化机制和影响因素。研究发现,虽然深层有机物的生物可降解性极低,但某些微生物能够利用难以降解的有机物作为碳源,这与传统观念存在矛盾。此外,代谢阻断实验显示,培养过程中生成或消耗的DOM能快速反映厌氧降解过程,为理解这一过程的初始步骤提供了新视角。通过FT-ICR-MS,我们获得了大量关于DOM分子数据,包括多种难以捕捉的生物可利用组分。深层沉积物中的有机碳库可能通过多种途径为微生物提供重要的物质和能量来源,揭示了温度对DOM组成和转化的显著影响。当培养温度达到55°C时,非生物热解作用开始主导DOM的释放与转化。在更高温度条件下,复杂的高分子组分逐渐被低分子量有机物取代,且DOM中双键数量和芳香化程度增加。本研究的成果为深入理解深部生物圈在碳循环中的作用提供了新的理论基础,认识了厌氧环境下有机物的组成和生物可利用性,基于DOM与产甲烷过程的联系开发减排控制方法。通过开发高通量的DOM分析方法,拓展沉积物碳循环的研究工具,为进一步探寻深部碳循环过程奠定了技术基础。综上所述,本项目在扎实的研究基础和有效的管理措施下,实现了预期目标,发表了两篇SCI论文,并申请了两项国家发明专利,参加国际会议与交流三次。未来,我们将继续致力于拓展研究的应用价值,将新分析方法引入滨海蓝碳生态系统的研究中。
红树林源惰性有机碳在近海水体的周转时间研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:15.0万元
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批准年份:2024
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负责人:甘淑钗
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依托单位:
国内基金
海外基金