利用超高分辨质谱和分子标志物表征南海大气沉降溶解有机碳的组成及其在海洋中的归宿

The amount of atmospheric deposition of dissolved organic carbon (DOC) to the ocean is approximately half of riverine input, which is an important allochthonous source to the oceanic DOC reservoir. Therefore, information regarding the compositions, sources and fates of atmospheric DOC is essential for the understanding of its role in the ocean carbon cycle. Due to multiple difficulties (including the complex composition of atmospheric DOC, and limitation of instrument), relevant information are highly limited up to date. South China Sea (SCS) is one of the largest marginal seas in the world. Large amount of anthropogenic and natural products are transported to and deposited in the northern SCS, therefore, the DOC pool and carbon cycle in northern SCS may be affected by atmospheric deposition. The proposed project will use northern SCS as our study area. Dry and wet deposition as well as seawater samples will be collected, and the state-of-the-art ultrahigh resolution Fourier Transform ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry (FT-ICR-MS) together with molecular markers (dissolved lignin phenols and dissolved black carbon) quantifications will be applied to characterized the molecular compositions and sources of atmospheric DOC; Bio- and photo- degradations experiments will be designed to understand the bioavailability and photochemical degradation of atmospheric DOC and their potential contribution to the oceanic DOC pool. The results from our proposed project will help to enrich our knowledge regarding the molecular composition of atmospheric DOC, and provide the basis for the evaluation of the potential influence of atmospheric deposition on the carbon cycle in marginal seas.

大气沉降每年向海洋输送的溶解有机碳的量接近河流输入的一半，是海洋溶解有机碳库重要的外源之一，因此对大气沉降溶解有机碳组成、来源及其在海洋中归宿的研究对认识其在海洋碳循环中扮演的角色至关重要。海洋大气沉降溶解有机碳来源复杂，加之研究手段的限制，到目前为止相关的信息非常有限。南海是世界最大的边缘海之一，大量人文活动和自然过程产生的物质在南海北部沉降，因此该区域的溶解有机碳库以及碳循环可能显著受到大气沉降的影响。本研究拟以南海北部为研究区域，收集大气沉降（干湿）以及海水样本，利用超高分辨率质谱傅里叶变换离子回旋共振质谱，结合分子标志物（木质素和黑碳），表征大气沉降溶解有机碳的组成；设计培养实验，探索大气沉降溶解有机碳的生物可利用性、光降解特性及其对海洋碳库的贡献。本研究结果将初步掌握南海北部大气沉降溶解有机碳的组成，为评估大气沉降溶解有机碳对我国边缘海碳循环的影响提供依据。

大气沉降每年向海洋输送的溶解有机碳的量与河流输送进入开阔大洋的通量相近，是海洋溶解有机碳库重要的外源之一。海洋大气沉降溶解有机碳来源复杂，加之采样的困难以及研究手段的限制，到目前为止，对海洋大气沉降溶解有机碳来源、组成以及在海洋中的归宿的认知非常有限。本研究通过采集南海北部不同季节的气溶胶样品、厦门定点采集大气干湿沉降时间序列样品，并开始实验室培养实验；分析了大气沉降样品的溶解有机碳、溶解有色有机物、溶解黑碳、小分子酸以及超高分辨质谱等参数，结合后向轨迹等技术手段，解析了不同区域大气沉降溶解有机质的分子组成、来源以及影响因子，并评估其对海洋惰性碳库的贡献。南海气溶胶水溶性有机碳的含量、光谱特征均表现出显著的季节差异，具体为3月和8月高于6月；超高分辨质谱共解析出超过9000种不同的分子式，分子组成以CHO、CHON和CHOS为主，与在东海、黄海以及西北太平洋的结果相近；不同季节样品间的分子组成差异显著，3月和8月相近，具有较高比例的土壤来源有机质，与沙尘以及生物质燃烧有关；而6月则具有较高比例的脂类化合物，与海洋源贡献有关；厦门定点气溶胶研究结果表明气溶胶水溶性有机质组分受季节、后向轨迹以及粒径的影响，而雨水溶解有机质包括溶解有机碳、有色溶解有机物以及小分子有机酸则受降雨量、季节以及后向轨迹的影响。生物培养实验结果表明雨水溶解有机质具有高的生物可利用性，小分子有机酸的生物可利用性高达90%以上，并贡献了约30%的雨水生物可利用有机碳。加入河流、河口、近海和大洋等不同区域的环境样品做比较，我们发现气溶胶中含有分子量更大和更高比例的惰性物质，而降雨中则包含分子量更小和更高比例的活性物质。因此，雨水对水环境系统的生物可利用性非常重要，而大气干沉降则是清除大气中惰性有机碳的重要载体和清楚方式，也是海洋中惰性有机碳的重要来源。