OceanPack走航式海洋表层多要素测量系统助力北大西洋海气微生物研究
2026-06-17 来源:本站 点击次数:23
近年来，由德国马克斯·普朗克化学研究所主导的国际研究团队借助OceanPack走航式海洋表层多要素测量系统，首次实现了从北极圈（67°N）至赤道（3°N）的表层海水与大气微生物同步采样。此次研究揭示了表层海水微生物群落的纬度多样性梯度、海-气微生物选择性交换规律及陆源气团对微生物组成的影响。
研究背景
海洋覆盖地球表面积的71%，是最大的活跃生态系统。海洋与大气之间持续进行微生物交换，生物气溶胶可占全球大气气溶胶总质量的25%，对云、降水和辐射平衡具有重要影响。然而，开阔大洋上空的微生物研究严重滞后，主要原因在于：航次成本高、采样难度大；海洋大气中微生物浓度极低（仅为陆地的1/10~1/100），易受污染；传统离散式海水采样无法在长航程中连续记录环境参数，也难以与大气采样同步。
表层海水是海-气交换的直接界面，研究其微生物群落需要实现长航程自动采样、实时记录温盐等关键因子、与大气采样器精确配对，并提供高质量水样用于DNA分析。德国SubCtech公司的OceanPack走航式海洋表层多要素测量系统（图1）正是为此而生。该设备能自动连续抽取水深3~5米的表层水，并集成传感器实时监测温盐、叶绿素、溶解氧等参数，还配有水样留存单元。其模块化、防污染、低功耗的设计，已成为国际航次的标准配置。
此次将其与大气微生物同步采样相结合，沿超长纬度断面研究海-气连通性，尚属首次。 
图1 德国SubCtech公司的OceanPack走航式海洋表层多要素测量系统
研究过程
研究团队于2020年6月至2021年5月，沿着20°W经线从67°N（北极圈）至3°N（赤道）开展采样（图2）。核心设备OceanPack安装于船舶通海接口，进水深度约3米，实现了以下功能：
1.连续记录：叶绿素a荧光、海表温度、盐度、溶解氧浓度；
2.自动水样采集：为微生物DNA分析和细胞计数提供标准化的表层海水样品；
3.与大气采样同步：配合气旋式空气采样器，形成海-气配对数据。
同时在每个站点收集大气微生物、气溶胶粒子浓度、气象参数及后向轨迹数据，构建了迄今为止分辨率最高的北大西洋海-气微生物生态数据集。
图2 北大西洋低层大气与表层海水微生物群落的多样性
实验结果
1.表层海水微生物群落呈现显著纬度梯度
OceanPack提供的连续温度、溶解氧、叶绿素数据与微生物16S rRNA测序结果结合分析显示：微生物丰富度与香农多样性指数随纬度降低（向赤道）显著升高（Spearman ρ < -0.75，p < 0.0001）；叶绿素a荧光峰值与某些菌群（如Synechococcus、Prochlorococcus）的相对丰度呈正相关（图3）。
图3 大气与表层海水微生物α和β多样性沿纬度梯度的变化
2. 海-气微生物群落结构截然不同
对比OceanPack采集的表层海水样品与同步大气样品：海水微生物α多样性显著高于空气；空气微生物β多样性（区域间差异）远大于海水（图3B、D）；90%的微生物序列变体仅存在于单一生物群系中，说明海-气微生物交换具有强选择性。
3. 气团来源影响海洋表层群落
利用后向轨迹将采样点划分为海洋背景、陆地背景及混合背景三类：受陆地气团影响时，表层海水中的Firmicutes（厚壁菌门）、Actinobacteriota（放线菌门）等丰度显著升高（图4，图5）；OceanPack同步记录的盐度、温度等参数帮助排除了局地水文变化对结果的干扰。
图4 采样气团来源与气溶胶粒子浓度
图5 不同气团背景下空气与海水微生物群落结构
4. 某些海洋菌群易于气溶胶化
在海水和空气中均高丰度出现的菌属（如Synechococcus、SAR11）提示其具有较高的海-气交换效率，而Prochlorococcus在空气中显著减少（图6），表明不同微生物在界面处的传输能力存在固有差异。
图6 海洋与大气之间微生物类群的选择性交换示意图
研究结论
本研究证实：
（1）北大西洋表层海水微生物多样性沿纬度梯度向赤道方向增加，与温度、溶解氧等环境因子高度相关；
研究背景
海洋覆盖地球表面积的71%，是最大的活跃生态系统。海洋与大气之间持续进行微生物交换，生物气溶胶可占全球大气气溶胶总质量的25%，对云、降水和辐射平衡具有重要影响。然而，开阔大洋上空的微生物研究严重滞后，主要原因在于：航次成本高、采样难度大；海洋大气中微生物浓度极低（仅为陆地的1/10~1/100），易受污染；传统离散式海水采样无法在长航程中连续记录环境参数，也难以与大气采样同步。
表层海水是海-气交换的直接界面，研究其微生物群落需要实现长航程自动采样、实时记录温盐等关键因子、与大气采样器精确配对，并提供高质量水样用于DNA分析。德国SubCtech公司的OceanPack走航式海洋表层多要素测量系统（图1）正是为此而生。该设备能自动连续抽取水深3~5米的表层水，并集成传感器实时监测温盐、叶绿素、溶解氧等参数，还配有水样留存单元。其模块化、防污染、低功耗的设计，已成为国际航次的标准配置。
此次将其与大气微生物同步采样相结合，沿超长纬度断面研究海-气连通性，尚属首次。
图1 德国SubCtech公司的OceanPack走航式海洋表层多要素测量系统
研究过程
研究团队于2020年6月至2021年5月，沿着20°W经线从67°N（北极圈）至3°N（赤道）开展采样（图2）。核心设备OceanPack安装于船舶通海接口，进水深度约3米，实现了以下功能：
1.连续记录：叶绿素a荧光、海表温度、盐度、溶解氧浓度；
2.自动水样采集：为微生物DNA分析和细胞计数提供标准化的表层海水样品；
3.与大气采样同步：配合气旋式空气采样器，形成海-气配对数据。
同时在每个站点收集大气微生物、气溶胶粒子浓度、气象参数及后向轨迹数据，构建了迄今为止分辨率最高的北大西洋海-气微生物生态数据集。
图2 北大西洋低层大气与表层海水微生物群落的多样性
实验结果
1.表层海水微生物群落呈现显著纬度梯度
OceanPack提供的连续温度、溶解氧、叶绿素数据与微生物16S rRNA测序结果结合分析显示：微生物丰富度与香农多样性指数随纬度降低（向赤道）显著升高（Spearman ρ < -0.75，p < 0.0001）；叶绿素a荧光峰值与某些菌群（如Synechococcus、Prochlorococcus）的相对丰度呈正相关（图3）。
图3 大气与表层海水微生物α和β多样性沿纬度梯度的变化
2. 海-气微生物群落结构截然不同
对比OceanPack采集的表层海水样品与同步大气样品：海水微生物α多样性显著高于空气；空气微生物β多样性（区域间差异）远大于海水（图3B、D）；90%的微生物序列变体仅存在于单一生物群系中，说明海-气微生物交换具有强选择性。
3. 气团来源影响海洋表层群落
利用后向轨迹将采样点划分为海洋背景、陆地背景及混合背景三类：受陆地气团影响时，表层海水中的Firmicutes（厚壁菌门）、Actinobacteriota（放线菌门）等丰度显著升高（图4，图5）；OceanPack同步记录的盐度、温度等参数帮助排除了局地水文变化对结果的干扰。
图4 采样气团来源与气溶胶粒子浓度
图5 不同气团背景下空气与海水微生物群落结构
4. 某些海洋菌群易于气溶胶化
在海水和空气中均高丰度出现的菌属（如Synechococcus、SAR11）提示其具有较高的海-气交换效率，而Prochlorococcus在空气中显著减少（图6），表明不同微生物在界面处的传输能力存在固有差异。
图6 海洋与大气之间微生物类群的选择性交换示意图
研究结论
本研究证实：
（1）北大西洋表层海水微生物多样性沿纬度梯度向赤道方向增加，与温度、溶解氧等环境因子高度相关；
（2）海洋与大气微生物群落存在本质差异，且交换具有类群选择性；
（3）陆地来源的气团可显著影响开阔大洋的表层微生物组成，可能通过营养盐输入或直接沉降微生物细胞实现。
（3）陆地来源的气团可显著影响开阔大洋的表层微生物组成，可能通过营养盐输入或直接沉降微生物细胞实现。
OceanPack在此次研究中展现了卓越的长航程、低维护、多参数同步监测能力，为揭示海洋表层微生物群落的宏观生态格局及其与大气之间的动态交换机制提供了不可替代的技术支撑。
参考文献
1. Hrabe de Angelis, I., Ruff, S. E., Pöhlker, C., et al. Latitudinal diversity gradients and selective microbial exchange at the Atlantic ocean-air interface. bioRxiv (2026). https://doi.org/10.64898/2026.03.24.713978
1. Hrabe de Angelis, I., Ruff, S. E., Pöhlker, C., et al. Latitudinal diversity gradients and selective microbial exchange at the Atlantic ocean-air interface. bioRxiv (2026). https://doi.org/10.64898/2026.03.24.713978
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