大型藻类对韩国海域碳储存贡献的环境 DNA 与生化分析

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：eDNA and biochemical analysis of macroalgal contribution to Korean ocean carbon storage

　　

摘要

大型藻类是生产力极高的沿海初级生产者。然而，证明其运输至深海沉积物中并长期存留的基于野外的证据仍然有限。在本研究中，我们整合了环境 DNA (eDNA) 元条形码分析、加速器质谱法放射性碳测年、总有机碳 (TOC) 分析以及沉积学和地球化学数据，以评估郁陵岛盆地（东海）深海沉积物中是否存在沿海大型藻类物质。沉积物岩芯采集自盆地内浅层（约 130 米）和深层（>2,000 米）站点，并与蔚珍边缘深度匹配的沿海沉积物进行了比较。在可比的水深条件下，郁陵岛站点的大型藻类 eDNA 信号持续高于蔚珍站点。在含有超过 1,000 年有机碳的深层盆地沉积物中也检测到了大型藻类 eDNA，表明源自沿海环境的大型藻类物质可在沉积物中长时间尺度上存留。深层盆地站点的 TOC 含量高于浅层站点，且与细粒、低氧沉积条件有关。综上所述，这些观测结果表明郁陵岛盆地深海沉积物中可能存在沿海大型藻类信号，并为它们在水深梯度和沉积环境中的分布提供了经验性约束。

引言

气候变化已成为全球危机，产生了制定有效碳中和策略的迫切需求 [1]，[2]。海洋代表了大气碳的最大储存库 [3]，[4]，迄今为止已吸收了约 30% 的人为 CO₂ 排放 [5]，其中海洋光合初级生产者在其中发挥了关键作用 [6]，[7]。然而，尽管大型藻类物质的离岸输出已被广泛认可 [8]，[9]，但直接基于野外的证据显示此类运输物质是否能在长时间尺度甚至地质时间尺度上在深海沉积物中保存和储存仍然有限 [10]。解决这一差距对于评估大型藻类来源有机物质在基于海洋的碳中和策略中的长期碳汇潜力至关重要。[11]，[12]，[13]，[14]

环境 DNA (eDNA) 分析是一种分子方法，从水和沉积物等环境基质中提取和表征核酸，能够重建生物起源和运输历史，而不依赖形态学遗骸 [15]。该方法对于化石形成潜力差的类群（包括大型藻类）尤为有利，因此为评估其运输和沉积路径提供了强有力的工具。在深海沉积物中检测到大藻类 DNA 意味着从沿海栖息地到深层盆地环境存在一个连续的生产、运输、沉降和积累序列 [16]，[17]。然而，对此类分子信号的解读需要与独立的环境约束相结合，包括沉积年代学、水深梯度、粒度特征以及沉积条件的地球化学指标。

东海（日本海）是一个半封闭深盆地，其特征在于高效的混合层脱离和增强的有机物质向下输出 [18]，[19]。在该系统中，郁陵岛陆坡代表一个火山岛环境，其中狭窄的大陆架、陡峭的坡度和相邻的深度超过 2,000 米的深盆地紧密耦合。这种地貌形态配置为沿海大型藻类物质快速转移至深海提供了有利条件，且侧向运输距离有限 [20]，[21]。在本研究中，将 eDNA 元条形码分析应用于郁陵岛的浅层（约 130 米）和深层（>2,000 米）沉积物岩芯，以评估在自然野外条件下深层沉积物中是否可检测到大型藻类信号。通过结合与蔚珍海岸深度匹配沉积物的比较、沉积物粒度和元素分析，以及加速器质谱 (AMS) 放射性碳测年，我们旨在野外尺度上评估使大型藻类来源有机物质在深海中运输和长期保存的沉积学和地球化学条件。

章节片段

研究区域和样品采集

本研究检查的沉积物岩芯采集自东海的郁陵岛，并分析了郁陵岛周围三个离岸站点：PC-12 (37°26′32.73″ N, 130°51′54.57″ E), UPC1901 (37°18′45.72″ N, 131°02′36.75″ E), 和 PC-YU2201 (37°21′33.19″ N, 131°25′13.94″ E) (图 1)。郁陵岛位于一个以陡峭坡度和复杂海洋环流为特征的半封闭深盆地内。为了在相似水深条件下进行区域比较，蔚珍外的两个沿海站点

大型藻类比例的深度匹配比较

在可比的水深条件下，郁陵岛站点 PC-12 的大型藻类来源 eDNA 相对比例为 10.79%，显著高于蔚珍站点 UJ-009 (0.53%) 和 UJ-013 (0.05%)。PC-12 的大型藻类比例比 UJ-009 高出约 20 倍，比 UJ-013 高出约 200 倍，表明尽管深度条件相同，但站点间存在显著差异 (图 2)。在 PC-12，红藻门 (Rhodophyta) 占了大型藻类的多数

大型藻类 eDNA 信号和有机碳保存的环境控制因素

在深度匹配条件下，郁陵岛站的光营养生物比例持续高于蔚珍站点。由于水深已控制，这种对比归因于水深本身以外的因素，如距岸线的距离、大型藻类栖息地的空间配置以及源 - 汇连通性。在郁陵岛，岩石海岸线与钻孔点之间的距离短，允许源自大型藻类且

结论

本研究提供了基于野外的证据，表明沿海大型藻类物质可以在郁陵岛系统中转移至并保存于深海沉积物内。在深度匹配条件下，与蔚珍边缘沿线相比，郁陵岛站点持续更强的大型藻类 eDNA 信号表明，运输效率受水深本身控制较少，而更多地受地貌控制因素控制，包括火山

CRediT 作者贡献声明

Ho-Sung Yoon: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，指导，资源，项目管理，资金获取。 Minkyoung Kim: 写作 – 初稿，验证，资源，方法论。 Yeonsu Shin: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。 Jeong-Mi Do: 写作 – 初稿，验证，方法论，概念化。 Hwajeong Lee: 验证，资源，

资金

本工作由基础科学研究计划通过韩国国家研究基金会 (NRF) 资助，由教育部资助 [资助号 RS-2021-NR065829]；韩国国家研究基金会 (NRF)，由韩国政府 (MSIT) 资助 [资助号 RS-2024-00406555]；面向硕士·博士生及博士后研究员的全球学习与学术研究机构 (LAMP) 计划，通过韩国国家研究基金会 (NRF)，由部

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢：

作者感谢海洋样本库提供本研究中使用的沉积物样品。作者还感谢 Macrogen 提供NGS文库制备和测序的技术支持，庆北国立大学 (联合实验室实践楼) 提供 ICP 分析，以及韩国科学技术院提供 AMS 放射性碳测量。

申延洙 | 崔天雨 | 徐友惠 | 李花静 | 都正美 | 金敏英 | 尹浩成

韩国大邱 41566，庆北国立大学生物系