海洋化学课程论文

上海海事大学海洋化学课程论文学院：海洋科学与工程学院专业：材料科学与工程班级：材料132姓名：XXXXXXXXXX学号：XXXXXXXXX论文题目：海洋中的艺术品——硅藻指导老师：XXXXXXX二〇一六年六月海洋中的艺术品——硅藻上海海事大学海洋科学与工程学院XXXXXXXX摘要:本文从硅藻的生物学定义、硅藻的重要作用、硅藻的特征运用以及联系《海洋化学》所学知识进行论述。指出了海洋硅藻具有种类多、数量大、繁殖快等特点，在海洋生态系统的物质循环和能量流动中起着极其重要的作用。其中有硅藻在碳循环中的作用等。关键词:硅藻古海洋学意义海洋初级生产力Diatoms,TheArtworkbyOceanCollegeofOceanScienceandEngineering,ShanghaiMaritimeUniversityOUYANGXian-pengAbstract:Theessayisdividedintofoursegments,thedefinitionofdiatomsbiologically,theessentialroleofdiatoms,thetypicalapplicationofdiatomsandknowledgewelearnedin‘MarineChemistry’,pointingoutthatthemarinediatomsisadefinitionofaspecieswhichhasdifferenttypes.Diatomsplayanfundamentalroleinmaterialcirculationandenergyflowinmarineecosystem,suchasthefunctionofthemincarboncirculation.Keywords:diatoms;Paleoceanographicsignificance;marineprimaryproductivity引言在海洋中，硅藻是海洋浮游植物的主要类群，也是海洋生态系统中的主要初级生产者，其种类数和生物量在沿海水域浮游植物中一般都占80%以上，其盛衰直接或间接地影响着整个海洋生态系统的生产力，并最终影响到渔业产量。[1]海洋硅藻具有种类多、数量大、繁殖快等特点，在海洋生态系统的物质循环和能量流动中起着极其重要的作用。由于海洋硅藻在海洋生态系统中的重要性，对海洋硅藻的分类学与生态学研究一直以来都是海洋生态学研究的基础，特别是近年来随着对海洋环境、生态和生物资源的重视，海洋硅藻的多样性研究得到了更加广泛的重视，已成为海洋环境、生态、水产、渔业、地质等领域研究的重要内容，也是揭示海洋生态系统物质循环和能量流动规律的重要环节。[2-3]同时，近年来，随着陆地资源的衰竭和环境问题的日益突出，海洋硅藻资源成了人们关注的热点，尤其是利用现代生物技术开发利用海洋硅藻资源的研究得到了科学家和各国政府的高度重视。硅藻是一种常见的，具有色素体的单细胞藻类，生活着的硅藻的生态分布与海洋中的各种物化条件和不同的地理区域有密切关系。硅藻生物体死亡后，其硅质遗骸沉积于海底，抗溶解能力强，易于在沉积物和地层中保存。因此，地层中的硅藻化石蕴含着非常丰富的地质时期的环境与年代信息，是追溯地质环境变化的重要生物标志。尤其是在水深大于碳酸钙补偿深度的大洋中，硅藻和放射虫几乎是唯一有效的微体化石。因而，根据沉积硅藻研究现代表层沉积过程、划分与对比地层、再造古环境、恢复海平面升降和岸线变迁，已成为研究古海洋环境变化的最重要手段之一。[4-5]1硅藻的重要作用1.1硅藻在碳循环中的作用硅藻是海洋有机物的主要生产者，地球上大约五分之一的光合作用是由硅藻这种微型的真核藻类来完成的;而海洋中每年500亿-550亿吨的有机碳固定中，海洋硅藻贡献了40%；海洋硅藻光合作用每年产生的有机碳和地球上所有的雨林产生的有机碳相当。作为海洋初级生产力的主要代表，硅藻在碳循环中扮演重要作用(图1-1)。吸收了海水中溶解的CO2(CO2(aq))合成自身的有机质(如式(1-1))，并将其输送到大洋深部直至埋藏到海底。具有蛋白石骨骼的硅藻无需在形成自身钙质壳体的过程中要释放CO2。基于硅藻独特的固碳过程，一系列有关硅藻驱动海洋碳循环的假说得以提出。图1-1“雨率假说”认为在不增加海洋生产力的前提下，只要改变海洋（沉积物）中Corg/CaCO3的大小，提高大洋生物泵的碳输出效率，使PCO2灵敏响应，从而导致冰期-间冰期大气CO2变化旋回(Archeretal,2000)。“铁假说”表明冰期时增加的风尘供铁可以刺激远洋硅藻等浮游植物的勃发，提高海洋输出生产力并降低大气CO2含量，从而解释冰期-间冰期尺度PCO2的变化(Martin,1990)。[6]CO2+H2O→1/6C6H12O6+O2（1-1）1.2硅藻硅质壳及作用硅藻最显著的特点之一是它们美丽的硅质细胞壁(SiO2·nH2O)或硅质壳(图1-2)。硅藻通过吸收以硅酸形式溶解在海水中的硅来建立自己的细胞壁，硅藻控制了全球海洋中的硅生物循环，可以说，平均每一个进入海洋的硅原子都会被硅藻吸收到细胞壁上39次，之后才会沉降在海底。来自死亡硅藻的细胞壁可以作为巨大的硅质矿藏积累在海床上，厚达1400m，由此产生的硅藻土(含有82.3%的氧化硅)由于具有质轻、多孔、高强、耐磨、绝缘、绝热、吸附及化学稳定等一列优良性能，而广泛应用于冶金、化工、电力、农业、化肥、建材保温制品等行业。另一方面,硅藻细胞壁的三维结构已引起了纳米材料研究者的兴趣，因为硅藻精细的硅质壳可用于建立纳米技术的硅藻-金属模型，同时也引起了人们对硅藻硅吸收与硅合成相关基因和蛋白的兴趣。图1-2硅藻细胞壁结构1.3硅藻生物活性物质海洋硅藻细胞本身富含具有重要营养和医疗保健作用的不饱和脂肪酸、多糖、类胡萝卜素等生物活性物质，已被认为是种类不断增多的生物活性物质的最佳生产者。目前已发现的生物活性物质包括抗菌物质(如脂肪酸EPA、多糖、肽类等)、酶抑制剂、毒素等。硅藻是产多不饱和脂肪酸的主要类群，有望代替目前的深海鱼油。因此，硅藻在医药、食品、水产养殖等领域是一重要资源生物，具有很大的开发潜力。2硅藻的特征运用2.1白令海区域表层沉积硅藻的古海洋学意义黄元辉，石学法等分析我国第二次北极科学考察所采样品以及我国首次北极科学考察样品。所有样品均取自箱式样或多管样最表层约0-2cm的沉积物。采样站位信息如图2-1所示。得出了一下四个结论：(1)在白令海13个表层沉积物中共鉴定硅藻30属56种(含变种)，确定17种硅藻新记录，其中包括Kisseieviella属3种化石硅藻。(2)白令海表层沉积物中的优势种硅藻为Neo-denticulaseminae，Fragilariopsiscylindrus和Fragilariopsisoceanica，在白令海北部陆坡深水区附近以N.seminae为主，在白令海北部陆架以F.cylindrus和F.oceanica为主。(3)聚类分析结果显示，白令海表层沉积硅藻可以划分为3个硅藻组合，即北部陆架明显受海冰影响的海冰种硅藻组合、陆坡附近明显受阿拉斯加流影响的大洋浮游种硅藻组合以及两者之间的过渡组合。(4)Fossulaarctica首次被发现于白令海表层沉积物中，其百分含量分布趋势与F.oceanica和F.cylindrus相近，是继二者之后白令海又一海冰指示种，并有望成为一种有效的海冰变化替代物运用于晚第四纪以来白令海海冰进退历史研究。[7]图2-12.2冲绳海槽晚第四纪沉积硅藻的古海洋学意义蓝东兆，许江，陈承惠等人分析了1987年中-德“太阳”号50航次联合调查时采集的岩芯样品，进行沉积硅藻研究，探讨其沉积环境。同济大学海洋地质开放实验室对与KL22岩芯相近的B-3GC(31°35′N,128°30′E)柱样深210-220cm处测得AMS14C年龄为9410a,B.P.等,推测KL22+KL18岩芯238cm处硅藻丰度和热带远洋种丰度极高点应属于全新世与晚更新世的界线(11ka，B.P.)，而490-655cm段硅藻丰度和热带远洋种丰度极高段应为晚玉木冰期(15-20ka，B.P.)的沉积，其中575cm处硅藻丰度和热带远洋种丰度最高点应属于18ka，B.P.时期的沉积。据此推算出该岩芯全新世时期的平均沉积速率约为21.6cm/ka，晚更新世时期的平均沉积速率为45.7cm/ka，这些结果与李凤业等认为冲绳海槽北部晚更新世的沉积速率高于全新世的观点是相符的。[8]2.3从海洋硅藻记录中得出的海洋表层海水温度变化黄元辉，黄玥，蒋辉等对西太平洋边缘海148个表层硅藻样品中菱形海线藻(Thalassionemanitzschioides)及其小形变种(Thalassionemanitzschioidesvar.parva)的分布与表层海水温度(SST)之间关系进行研究，将菱形海线藻小形变种与所有菱形海线藻百分含量的比值(简称硅藻Rparva值)视为温度指数，开展南海北部MD05-2904孔附近海域15kaBP以来表层海水温度变化研究。结果表明:(1)南海北部15kaBP以来表层海水温度呈现明显的阶段性波动特点，即末次冰消期气候转暖过程中，12.9-11.5kaBP前后温度略有下降，与新仙女木事件对应，全新世南海北部气候依次经历了升温期、高温期和降温期3个变化阶段；(2)全新世大暖期鼎盛期结束后，南海北部海水温度阶段下降，两次明显降温分别发生于4kaBP前后和1.5kaBP前后；(3)MD05-2904孔硅藻Rparva值时间序列曲线与董哥洞D4石笋18O曲线对比表明，南海北部表层海水温度变化与末次冰消期以来东亚季风强度变化关系较为密切。[9]3联系《海洋化学》所学3.1海洋有机物存在于海水中的有机物，广义地讲，包括大至鲸至甲烷的有机物。但海洋化学所研究的有机物，主要是海水中海洋生物的代谢物、分解物、残骸和碎屑等，它们是海洋本身所产生的；还有一部分是陆源有机物，包括人类生活和生产活动所产生的有机物质和有机污染物质,通过大气或河流带人海洋中。海洋中有机物质的含量虽然很低，但它参与海洋中许多化学变化和生物地球化学作用，研究水体有机物是海洋化学、海洋生物学和海洋有机地球化学共同关心的重要研究内容，对认识海洋环境中所发生的各种过程具有重要意义。[10]本论文所提到的硅藻即属于海洋中的生产力的范畴。海水中的有机物的组成由氨基酸类、碳水化合物、腐殖质、烃和氯代烃、维生素类等。具有含量低、组成复杂、在海洋空间分布不均匀等特点。3.2海洋的初级生产力海洋生产力是海洋中生物通过同化作用生成有机物的能力。它是海洋生态系的基本功能之一，通常以单位时间(年或天)内单位面积(或体积)中所生产的有机物的质量来计算。海洋净生产力是指单位时间内单位面积(或体积)中所同化有机物总量扣除消费之后的余额。大多数情况下，净生产力不到总生产力的一半。海洋生物同化有机物，一般需经初级生产、二级生产、三级甚至四级生产，达到终级生产等不同环节，才能转化为人类食用的各种水产品。海洋初级生产力是浮游植物、底栖植物(包括定生海藻、红树、海藻等)以及自养细菌等,通过光合作用，将无机营寒截和无机碳转化成有机物的能力，也称原始生产力或基础生产力。海洋次级生产力，或称二级生产力，是以植物和细菌等初级生产者为营养来源的生物生产能力，是初级生产者与三级生产者的中间环节。二级生产者主要指浮游动物、大部分底栖动物和植食性游泳动物诸如幼鱼、小虾等。海洋三级生产力，是以浮游动物等二级生产者为营养来源的生物生产能力。三级生产者主要包括肉食性鱼类和大型无脊椎动物。终级生产力，是一些自身不再被其他生物所摄食的生物生产力，它处于海洋食物链的末端。终级生产者主要指凶猛鱼类和大型动物。海洋动物生产力是包括海洋生物二级、三级、四级(三者合称次级生产力)直到动物的终级生产力。[11]综合以上所学，本文所讨论的硅藻属于海洋初级生产力。参考文献[1]金德祥.海洋硅藻学[J].厦门大学学报:自然科学版,1990,03(1):456-