深海多金属结核采矿对底栖生物影响的评价指标体系研究

深海矿产是满足全球金属需求的重要潜在来源。然而深海生态系统脆弱,大规模的深海采矿将对底层生态系统施加巨大压力,可能导致整个深海生态系统结构和功能在很长时间内发生重大变化。因此,深海采矿的底栖生物影响评价是开展深海采矿活动环境影响评价的主要内容,如何有效识别受扰动影响显著的底栖生物类群及其表征指标,是提升深海采矿环境影响评价结果科学性的关键。本研究基于国内外多金属结核矿区底栖生物调查和评价的125个指标,采用文献计量学方法和专家评判法,构建了包含36个指标的深海采矿对底栖生物影响的评价指标体系。指标体系包含了深海底栖生物的7个物种类别(其中巨型底栖动物、大型底栖动物和小型底栖动物的指标数量占所有指标数量的66.7%),体现了生态系统的“群落-种群-多样性-连通性”4个层面,选取了传统的物种分类学方法指标和分子生物学方法指标,突出了国内外研究的热点词汇“多样性”“生物多样性”“群落”“丰度”和“底栖有孔虫”,也强调了指示生物对评价的意义,具有较强的科学性、可行性和生态系统完整性,可以为深海采矿的环境影响评价提供兼顾科学性和可操作性的指标。

深海化能极端环境中劳盆拟刺铠虾(Munidopsis lauensis)的全长转录组测序分析

劳盆拟刺铠虾(Munidopsislauensis)是一种十足目铠甲虾,能够适应深海化能合成生态系统的极端环境,但是其已知基因序列信息却很少。为此,采用PacBio平台的SMRT测序技术对来自南海台西南冷泉劳盆拟刺铠虾的肝胰腺、鳃、肌肉和肠混合组织进行了三代全长转录组测序。通过聚类、校正、去冗余之后共获得28811条高质量isoform,平均长度为2086 bp,N50长度为2275 bp。使用Nr、SwissPort、KEGG、KOG数据库对转录本序列进行功能注释,共有20616(71.56%)条isoform得到注释。进一步高级注释共获得21848个蛋白编码序列,共预测到537个转录因子、6430个长链非编码RNA和10060个SSRs位点。KEGG通路分析发现两条可能与劳盆拟刺铠虾适应深海化能极端生境相关的通路,分别为过氧化物酶体通路和谷胱甘肽代谢通路。其中,共有180条isoform被发现参与编码过氧化物酶体通路中的31个关键酶,213条isoform参与谷胱甘肽代谢通路中19个关键酶的编码。基于全长转录组数据,利用同源比对、功能结构域预测及系统发育树构建等方法对劳盆拟刺铠虾谷胱甘肽S-转移酶(GST)基因家族进行挖掘与鉴定,共发现属于theta、delta、mu、kappa四种亚家族的20条GST候选序列。通过对劳盆拟刺铠虾全长转录组测序、功能注释和环境适应相关的重要基因及通路的分析,不仅丰富了深海组学数据资源,也为进一步揭示甲壳动物适应深海化能极端环境的分子机制奠定了基础。

深海采矿对海洋生态系统影响的评价Ⅰ.上层生态系统

根据现有试验规模及资料分析了深海采矿对上层海洋生态系统的潜在影响。结果表明 :深海采矿对上层环境 ,如悬浮颗粒物质增加、光衰减、冷的底层水与表层水混合、表层水中营养盐、痕量金属、海水密度等都有一定影响 ,但都不足以危及上层生态系统。尽管这些结果是令人欣慰的 ,但由于这些试验的规模和持续的时间是十分有限的 ,为了更充分地评估深海采矿对海洋生态系统的潜在影响 ,需要进行进一步的模拟实验和更大规模商业开采的现场监测。

深海采矿对海洋生态系统影响的评价Ⅱ.底层生态系统

根据现有深海采矿环境影响实验的主要成果 ,分析了深海采矿对底层海洋生态系统的潜在影响。结果表明 :深海采矿对底层水环境不会产生明显的影响 ;矿区生物种类多样性明显降低 ,尤其是以结核作为硬基质固着的底栖生物 ,但由于大部分大型和巨型底栖生物在海洋中分布较广泛 ,因此局部海底的采矿不太可能导致某一物种从海洋里完全灭绝 ;除细菌外 ,巨型、大型和小型底栖动物的密度都明显下降 ,但 3a后运动能力较强的软相底质动物的密度基本上恢复至扰动前的水平。尽管大量关于深海采矿环境影响的工作已做或仍在进行 ,但目前人们对深海生态学的了解还十分有限 。

深海洋底热泉生态系和冷泉生物研究综述

现代海洋学、微生物学和生物学的研究表明，在深海火山活动和板块消减带所形成的地质背景下分别可能有海底热泉和冷泉的存在。在这种海底热泉和冷泉区的特殊环境中能够孕育海底热泉生态系和冷泉生物。它们能够依靠体内共生化学厌氧合成细菌产生营养，因而可以存在于完全缺氧的还原环境。海底热泉和冷泉生物学研究是对传统的生物学和地质学的挑战，人们还可以通过古代海底热泉和冷泉生态系的识别和分析，对涉及生命发生、生物演化、生物灭绝、缺氧事件、海底火山活动和古板块消减带等诸多问题加深认识和反思。

深海热泉生物——人类的基因资源宝库

广泛存在于大洋之中的深海热泉生物群落依靠化学自营维持生存与繁衍,构成了独特的生态系统,是对光合作用生态系统理论的一个挑战和补充,在生物学上有着重要的研究意义,对于揭示生命的起源与拓展生命的生存空间有着重要的学术价值,而且还孕育着广泛而重要的应用价值和商业前景,具体体现在新型医药开发、基因疗法、工业应用以及环境保护等方面。深海热泉生物将是人类最重要的基因资源宝库。

深海趋磁细菌研究

介绍了趋磁细菌的基本概念及研究状况,综述了海洋趋磁细菌的研究进展,着重总结了深海趋磁细菌的研究成果及现状,展望了深海大洋和海山生态环境中趋磁细菌的研究意义及前景,为海洋趋磁细菌研究提供借鉴与参考。

深海化能生态系统大型生物多样性分布格局及其起源演化研究进展

深海被认为是地球上尚未被认识和开发的"最后疆域",深海环境不仅可满足人类对未来资源的部分需求,还孕育出了独特的生态系统和特殊的生命过程。地球上绝大部分生态系统是利用光合作用来维持生命循环,而深海中存在着以化能合成为基础的生态系统。本文重点综述了国内外关于深海化能生态系统中大型生物多样性及其起源演化方面的研究进展,并对印太交汇区深海极端环境的生物多样性研究趋势和发展方向进行了展望。

公海深海底层渔业国际管理进展

以底拖网为代表的深海底层渔业对深海脆弱海洋生态系统的危害受到国际社会的热切关注。2003年以来联合国大会多次通过决议,呼吁各国各自并通过RFMO/As采取行动,根据预防性原则,采用基于生态系统的管理方法,评估深海底层渔业对脆弱海洋生态系统的影响,若评估表明确有重大不利影响,则应采取有效措施限制深海底层渔业以降低这种影响;FAO主要从技术角度制定了《公海深海渔业管理国际指南》,为管理公海深海渔业和保护脆弱海洋生态系统提出了技术标准和管理框架;RFMO承担着具体执行深海底层渔业管理措施和监督管理的责任,在北大西洋、地中海、南太平洋的公海和南极水域,相关RFMO已采取了暂停部分区域底拖网渔业活动、收集数据、评估底拖网对脆弱海洋生态系统的影响等措施,在北太平洋,新成立的北太平洋渔业管理委员会将公海底层渔业管理作为首要目标。环保非政府组织和部分科学家呼吁禁止公海深海底层渔业,但各国对此的立场尚不一致,产业界大多持反对立场。近期来看,尚难以全面禁止公海的深海底层渔业。中国正在发展公海大洋渔业,需对此密切关注,加强跟踪研究以支撑决策,并应发展和使用选择性渔具和对生态环境无害的作业方式,防止对脆弱海洋生态系统产生损害性影响。

深海化能生态系统双壳纲共生体系互作机制研究进展

双壳纲贝类在深海特殊生境——热液、冷泉及有机沉落生态系统中分布广泛,并且在其体内常含有化能共生细菌为贝类提供营养物质。双壳纲贝类与化能共生菌形成的共生体系对于其适应深海还原性生境至关重要。近40 a来随着海洋科考力度加大,深海化能生境的神秘面纱被逐渐揭开,越来越多的深海物种被发现,双壳纲贝类无疑是这些化能生态系统中的优势物种。在此,我们对常见的深海化能共生双壳纲贝类与其内共生菌的互作研究进行总结,主要双壳纲门类包含贻贝科(Mytilidae)、囊螂科(Vesicomyidae)、蛏螂科(Solemyidae)、索足蛤科(Thyasiridae)和满月蛤科(Lucinidae),梳理归纳的内容包括深海化能生态系统的发现、"双壳纲贝类—内共生菌"共生体系的组成、共生体系的营养互作、共生体系的建立与维持以及对未来研究的展望。对这些研究内容的总结有利于进一步加深我们对深海特殊生命系统中共生互作机制的认识。

对海洋科学的认识与实践

"热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响"是中国科学院海洋领域投入最大、参加人员最多的一个海洋科学先导项目,该项目使我们第一次有机会从海洋系统角度研究中国近海到西太平洋的一些海洋前沿问题。来自物理、化学、生物、地质和大气等不同学科的科学家们围绕共同的问题,在同一个区域、从不同方向开展协同研究。目前,海洋先导专项已在深海探索与研究、海洋能力建设、科考平台建设、技术队伍建设、科研与技术有机融合的体系建设和海洋前沿探索方面取得一系列突破,为全面、综合地开展深海资源的探测与近海生态安全研究奠定了重要基础。海洋先导专项更多系统性、有影响力的成果将在未来不断涌现出来。

深海微生物硝化作用驱动的化能自养固碳过程与机制研究进展

深海微生物硝化作用通过化能自养固定无机碳,是深海生态系统中重要的能量来源途径,直接影响深海生态系统的食物网结构和深海的碳储库。近年来氨氧化古菌的发现,对这一生物地球化学过程的传统认识提出了新的挑战,同时也带来了新的科学问题,为认识硝化作用化能自养的固碳机制提供了新的研究方向。通过系统评述深海硝化作用驱动的自养固碳过程和机制以及由此带来的生态环境效应,为相关领域的深入研究提供参考。

深海海洋生态系统与海洋生态保护区发展趋势

本文介绍了深海生态系统的类型及研究现状、面临的主要问题、关键需求及对策。与浅海生态系统相比,深海样品获取困难、已知数据少、研究程度较低。深海栖息着丰富多彩的生物群落,例如深海热泉中分布的具有特化营养体的管状蠕虫及极端嗜热古菌、冷泉区分布的硫酸盐还原菌共生的贻贝及蛤类、海山区域高度多样性的生物群落、捕食浮游生物的冷水珊瑚以及形态奇特的深渊狮子鱼,这些均迥异于其他生态环境,具有很高的生态研究价值。近年来,我国对深海资源的开发需求日益增强,深海探测技术迅速发展为深海生态系统的研究提供了契机,开展深海生物多样性研究并发展深海生态系统理论模型,成为迫在眉睫且切实可行的重要任务。为此,提出建立深海生物数据库、平衡深海资源利用与生态保护的关系、发展深海生态理论模型、加快管理对策和法律文书的制定等深海生态系统的保护对策建议。

区域渔业管理组织对脆弱海洋生态系统的保护浅析

21世纪以来底拖网渔业的快速发展给脆弱海洋生态系统(VME)带来极大威胁,导致公海深海渔业发展不可持续以及海洋生物多样性降低。为更好地实现养护海洋渔业资源和保护海洋生物多样性的目标,同时为我国在保护VME以及管理公海深海渔业方面提供参考,文章分析八大区域渔业管理组织(RFMO)针对VME保护采取的系列措施及其保护VME的可行性,针对存在的问题提出对策建议,并对我国在RFMO中保护VME进行展望。研究结果表明:《公海深海渔业管理国际准则》在RFMO保护VME的实践中发挥重要的指导作用;RFMO采取的措施限制深海渔业活动,但为保护VME和养护海洋渔业资源提供重要基础和保障;未来RFMO应加强信息共享和技术合作,发展VME分布预测技术,同时在保护海洋生物多样性方面积极开展双边和多边合作;我国应进一步研究和实践基于生态系统的渔业管理方法,平衡保护与开发利用的关系,积极参与国际渔业管理和VME保护并促进合作,加强南极海域海洋保护区综合治理。

深海木落生态系统研究进展

深海木落(deep sea wood-fall)作为深海寡营养环境中重要的有机质与能量供应介质,对深海生态系统的生物多样性、物种进化和生物地球化学循环具有重要的影响。本文综述了深海木落生态系统的研究现状与进展,包括:(1)深海木落生态系统的来源、形成及其生态特征;(2)深海木落的生物多样性、群落组成及其影响因素;(3)深海木落的生态功能。总体而言,深海木落是高度分散的岛状生态系统,其通过吸引深海特异性底栖生物和化能合成微生物的方式在寡营养的海底构建生物多样性的热点区域。深海木落独特的三维结构能够为深海生物提供栖息地与新物种进化的源地,并作为深海生物在化能合成生态系统之间迁移扩散的“垫脚石”。深海木落中底栖生物、微生物的多样性和群落结构会受到环境因素和生态系统载体的综合影响。此外,深海木落中的化能合成微生物可通过多种途径参与深海生物地球化学循环,尤其是碳循环与硫循环过程。基于目前国际上的研究进展,本文建议从以下几个方面对深海木落生态系统开展进一步研究:(1)探索深海木落生态系统的生物群落结构和生态演替规律;(2)挖掘深海木落生态系统中与纤维素降解有关的新型微生物及其功能基因;(3)揭示深海木落微生物组对驱动生物地球化学循环的机制。

深海环境噪声监测技术发展现状与展望

以往关于人类活动对海洋生态系统产生的影响讨论主要聚焦于污染物的排放、过度二氧化碳的排放及过度开发等,然而人为噪声也是海洋生态系统的重要压力源之一.人为噪声的频率范围与海洋动物发出和感知的声音频率范围存在高度重合,因此人为噪声的增加会影响海洋动物的行为、生理甚至生存.鉴于海洋声景的快速变化,迫切需要发展深海环境噪声监测技术,评估人为噪声对深海生态系统的影响,从而针对性地减轻人类对海洋声景的影响,服务于构建健康的海洋.本文立足国内外研究形势,回顾人类活动影响下的海洋声景及深海噪声监测技术的发展情况,介绍多个致力于海洋噪声监测和研究的国际大计划,并呼吁相关机构及部门增强对海洋声景的关注,鼓励先进技术的研发,并制定相应的管理框架.

环境模拟技术与原位试验技术在深海生物研究中的应用与展望

深海生物研究面向国家战略、科学前沿和产业发展,服务于评估全海深尺度的碳通量和碳储库、认知深海生态系统的变化和响应、发掘新型深海生物资源。为了满足深海生物的研究需求,观察、检测、解析生物在深海的生理状态、生态功能、演化历程,发展出了深海环境模拟技术与深海原位试验技术。文章梳理了深海环境模拟技术与深海原位试验技术的发展历程与技术特点,展望了未来技术发展方向,并提出发展对策和建议,以期为提升中国的深海技术与深海生命科学研究实力提供助力。

南海深海塑料垃圾污染

渔业捕捞及商业航运活动的塑料排放是南海深海塑料污染的主要来源。南海深海微塑料污染始于20世纪80年代,具有明显陆源输入的特征,陆架近岸区域微塑料污染严重。陆坡深海峡谷是塑料/微塑料向深海盆地输运的主要通道,近底浊流在输运中发挥了重要作用。综述了南海海底塑料垃圾深潜研究的最新进展,首次提出了深海塑料垃圾生态系统的概念。

深海热液区化能自养微生物多样性、代谢特征与环境作用

热液生态系统是如何形成的?深海热液活动在地球生命起源与演化中贡献是什么?作为深海热液生态系统初级生产者,化能自养微生物在热液区从无机到有机的物质能量转化、元素生物化学循环、热液生命起源演化、热液共生体与生态系统形成发挥着重要作用.深海热液生态系统的能量来源主要是地幔岩浆房水岩反应所产生的还原性物质,包括氢气、硫化氢、甲烷以及还原性金属离子等.化能自养微生物广泛分布于羽流、烟囱壁及热液沉积物等各种热液区生境,通过氧化热液中所携带的还原性物质获得能量、固定二氧化碳,形成热液生态系统初级生产力.通过长期的生物与非生物过程的交互作用,演化形成独特的深海暗能量生态系统.热液微生物的多样性分布特征与影响因素、热液区极端环境适应性机制与环境作用,以及热液生物共生机制等仍是目前重要研究内容,相关研究将有助于认识深海暗能量生态系统的形成机制以及深部生命过程.