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长江口及其邻近海域颗粒态氨基酸的分布以及对有机质降解和来源的指示

张敬慧 陈岩 杨剑 杨桂朋

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长江口及其邻近海域颗粒态氨基酸的分布以及对有机质降解和来源的指示

    作者简介: 张敬慧(1996-),女,山东枣庄人,硕士研究生,主要研究方向为海洋界面化学,E-mail:120187729@qq.com;
    通讯作者: 杨桂朋,教授,从事海洋界面化学研究,E-mail:gpyang@ouc.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFA0601301);国家自然科学基金重点项目(41830534);中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室(中国科学院海洋研究所)开放基金资助项目(KLMEES202001);烟台市科技计划项目(2015ZH090)
  • 中图分类号: X142

Distribution of particulate amino acids in the Changjiang Estuary and its adjacent sea and their indications for degradation and sources of organic matter

  • 摘要: 本研究于2018年3月采集长江口及其邻近海域50个站位样品,对颗粒态氨基酸(PAA)的分布与组成进行了分析。结果表明:PAA的平均浓度为(1.86 ± 1.02)μmol/L(0.76~5.55 μmol/L),其主要组分为天门冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Gly)、丝氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)和甘氨酸(Glu)。颗粒有机碳(POC)和颗粒氮(PN)的平均浓度分别为(74.21 ± 37.70)μmol/L(18.06~238.66 μmol/L)和(7.52 ± 3.46)μmol/L(2.27~19.86 μmol/L)。PAA、POC与PN具有相似的分布特征,长江口内浓度低于近岸浓度,近岸浓度高于远岸浓度,垂直分布上较为均匀。研究海域中的C/N由近岸向远海逐渐降低,表明陆源输入有机质的影响逐渐降低。基于氨基酸的衍生参数Asp/Gly和Ser + Thr(苏氨酸)[mol%]表明该海域颗粒物中有机质主要源于硅质碳源,与硅藻在该海域中相对较高的生物量有关。碳、氮归一化产率[PAA-C(N)%]以及降解因子(DI)所指示的降解趋势并不完全一致,这或许与PAA-C(N)%和DI适用于不同降解阶段以及氨基酸来源与转化的多样性有关。
  • 图 1  2018年3月长江口及其邻近海域取样站位

    Figure 1.  Locations of sampling stations in the Changjiang Estuary and its adjacent area

    图 2  长江口及其邻近海域PAA(a)、POC(b)、PN(c)、Chl a(d)、DIN(e)、T(f)和S(g)的表层分布

    Figure 2.  Horizontal distributions of PAA (a), POC (b), PN (c), Chl a (d), DIN (e), temperature (f) and salinity (g) in the Changjiang Estuary and its adjacent area

    图 3  长江口及其邻近海域PAA(a)、POC(b)、PN(c)、Chl a(d)、DIN(e)、T(f)和S(g)的垂直分布

    Figure 3.  Vertical distributions of PAA (a), POC (b), PN (c), Chl a (d), DIN (e), temperature (f) and salinity (g) in the Changjiang Estuary and its adjacent area

    图 4  PAA中个体氨基酸(a)和不同分类的氨基酸(b)的平均摩尔组成(误差线指示平均标准偏差)

    Figure 4.  Mean mole percentage of individual (a) and grouped (b) amino acids in the PAA

    图 5  长江口及其邻近海域C/N比值(a)、Asp/Gly(b)和Ser + Thr [mol%](c)的水平分布

    Figure 5.  Horizontal distributions of C/N ratios (a), Asp/Gly (b) and Ser + Thr [mol%] (c) in the Changjiang Estuary and its adjacent area

    图 6  长江口及其邻近海域C/N比值(a)、Asp/Gly(b)和Ser + Thr [mol%](c)的垂直分布

    Figure 6.  Vertical distributions of C/N ratios (a), Asp/Gly (b) and Ser + Thr [mol%] (c) in the Changjiang Estuary and its adjacent area

    图 7  长江口及其邻近海域PAA-C%(a)、PAA-N%(b)以及DI(c)的水平分布

    Figure 7.  Horizontal distributions of PAA-C% (a), PAA-N% (b) and DI (c) in the Changjiang Estuary and its adjacent area

    图 8  长江口及其邻近海域PAA-C%(a)、PAA-N%(b)以及DI(c)的垂直分布

    Figure 8.  Vertical distributions of PAA-C% (a), PAA-N% (b) and DI (c) in the Changjiang Estuary and its adjacent area

    表 1  长江口及其邻近海域PAA、POC、PN、DIN、Chl aTS的相关性矩阵

    Table 1.  Correlation matrix of PAA, POC, PN, DIN, Chl a, temperature and salinity in the Changjiang Estuary and its adjacent area

    PAAPOCPNDINSTChl a
    PAA10.806**0.775**0.297**−0.233*−0.0730.182
    POC10.970**0.387**−0.255*−0.2040.195
    PN10.329**−0.172−0.2000.106
    DIN1−0.816**0.0340.641**
    S10.043−0.667**
    T10.182
    Chl a1
    注:**为显著性相关. n = 70, P < 0.01
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  • [1] ZHANG P Y, YANG G P, CHEN Y, et al. Temporal and spatial variations of particulate and dissolved amino acids in the East China Sea[J]. Marine Chemistry, 2016, 186: 133-144. doi: 10.1016/j.marchem.2016.09.004
    [2] KHODSE V B, BHOSLE N B. Distribution, origin and transformation of amino sugars and bacterial contribution to estuarine particulate organic matter[J]. Continental Shelf Research, 2013, 68: 33-42. doi: 10.1016/j.csr.2013.08.004
    [3] 刘宗广. 长江口及东海颗粒态氨基酸的来源、分布及控制因素分析[D]. 上海: 华东师范大学, 2013: 6–71.
    [4] WU Y, DITTMAR T, LUDWICHOWSKI K U, et al. Tracing suspended organic nitrogen from the Yangtze River catchment into the East China Sea[J]. Marine Chemistry, 2007, 107(3): 367-377. doi: 10.1016/j.marchem.2007.01.022
    [5] DAUWE B, MIDDELBURG J J. Amino acids and hexosamines as indicators of organic matter degradation state in North Sea sediments[J]. Limnology and Oceanography, 1998, 43(5): 782-798. doi: 10.4319/lo.1998.43.5.0782
    [6] SALTER I, KEMP A E S, LAMPITT R S, et al. The association between biogenic and inorganic minerals and the amino acid composition of settling particles[J]. Limnology and Oceanography, 2010, 55(5): 2207-2218. doi: 10.4319/lo.2010.55.5.2207
    [7] 陈 岩, 纪崇霄, 杨桂朋. 氨基酸指示海洋中有机物降解行为的研究进展[J]. 海洋环境科学, 2018, 37(2): 307-313. doi: 10.12111/j.cnki.mes20180224
    [8] 邢建伟, 线薇薇, 绳秀珍. 春、冬季长江口颗粒有机碳的时空分布及输运特征[J]. 中国环境科学, 2014, 34(9): 2380-2386.
    [9] 邵 亮, 吴 莹, 朱卓毅, 等. 长江口徐六泾颗粒有机氮的月际变化: 以右旋(D)和左旋(L)氨基酸为例[J]. 海洋环境科学, 2011, 30(4): 554-558. doi: 10.3969/j.issn.1007-6336.2011.04.023
    [10] 周 卜. 胶州湾颗粒物及沉积物中氨基酸对有机质降解指示作用解析[D]. 青岛: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所), 2018: 2–39.
    [11] 梁 洲, 潘扬航, 张锦辉, 等. 2016年夏季长江口邻近海域海洋参数的数据分析[J]. 厦门大学学报(自然科学版), 2020, 59(S1): 69-74.
    [12] JI C X, YANG G P, CHEN Y, et al. Distribution, degradation and bioavailability of dissolved organic matter in the East China Sea[J]. Biogeochemistry, 2019, 142(2): 189-207. doi: 10.1007/s10533-018-0529-8
    [13] GUO C, HE Q, GUO L C, et al. A study of in-situ sediment flocculation in the turbidity maxima of the Yangtze Estuary[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2017, 191: 1-9. doi: 10.1016/j.ecss.2017.04.001
    [14] 翟世奎, 张怀静, 范德江, 等. 长江口及其邻近海域悬浮物浓度和浊度的对应关系[J]. 环境科学学报, 2005, 25(5): 693-699. doi: 10.3321/j.issn:0253-2468.2005.05.022
    [15] 李 照, 宋书群, 李才文, 等. 丰、枯水期长江口邻近海域浮游植物群落结构特征及其环境影响初探[J]. 海洋学报, 2017, 39(10): 124-144.
    [16] CHEN Y, YANG G P, LIU L, et al. Sources, behaviors and degradation of dissolved organic matter in the East China Sea[J]. Journal of Marine Systems, 2016, 155: 84-97. doi: 10.1016/j.jmarsys.2015.11.005
    [17] 王丽玲, 胡建芳, 唐建辉. 中国近海表层沉积物中氨基酸组成特征及生物地球化学意义[J]. 海洋学报, 2009, 31(6): 161-169.
    [18] COWIE G L, HEDGES J I. Digestion and alteration of the biochemical constituents of a diatom (Thalassiosira weisflogii) ingested by an herbivorous zooplankton (Calanus pacificus)[J]. Limnology and Oceanography, 1996, 41(4): 581-594. doi: 10.4319/lo.1996.41.4.0581
    [19] DAVIS J, KAISER K, BENNER R. Amino acid and amino sugar yields and compositions as indicators of dissolved organic matter diagenesis[J]. Organic Geochemistry, 2009, 40(3): 343-352. doi: 10.1016/j.orggeochem.2008.12.003
    [20] WU Y, LIU Z, HU J, et al. Seasonal dynamics of particulate organic matter in the Changjiang Estuary and adjacent coastal waters illustrated by amino acid enantiomers[J]. Journal of Marine Systems, 2016, 154: 57-65. doi: 10.1016/j.jmarsys.2015.04.006
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-01
  • 录用日期:  2021-03-26
  • 刊出日期:  2022-04-20

长江口及其邻近海域颗粒态氨基酸的分布以及对有机质降解和来源的指示

    作者简介:张敬慧(1996-),女,山东枣庄人,硕士研究生,主要研究方向为海洋界面化学,E-mail:120187729@qq.com
    通讯作者: 杨桂朋,教授,从事海洋界面化学研究,E-mail:gpyang@ouc.edu.cn
  • 1. 中国海洋大学 化学化工学院,海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东 青岛 266100
  • 2. 中国科学院烟台海岸带研究所,海岸带环境工程技术研究中心,山东 烟台 264003
基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFA0601301);国家自然科学基金重点项目(41830534);中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室(中国科学院海洋研究所)开放基金资助项目(KLMEES202001);烟台市科技计划项目(2015ZH090)

摘要: 本研究于2018年3月采集长江口及其邻近海域50个站位样品,对颗粒态氨基酸(PAA)的分布与组成进行了分析。结果表明:PAA的平均浓度为(1.86 ± 1.02)μmol/L(0.76~5.55 μmol/L),其主要组分为天门冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Gly)、丝氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)和甘氨酸(Glu)。颗粒有机碳(POC)和颗粒氮(PN)的平均浓度分别为(74.21 ± 37.70)μmol/L(18.06~238.66 μmol/L)和(7.52 ± 3.46)μmol/L(2.27~19.86 μmol/L)。PAA、POC与PN具有相似的分布特征,长江口内浓度低于近岸浓度,近岸浓度高于远岸浓度,垂直分布上较为均匀。研究海域中的C/N由近岸向远海逐渐降低,表明陆源输入有机质的影响逐渐降低。基于氨基酸的衍生参数Asp/Gly和Ser + Thr(苏氨酸)[mol%]表明该海域颗粒物中有机质主要源于硅质碳源,与硅藻在该海域中相对较高的生物量有关。碳、氮归一化产率[PAA-C(N)%]以及降解因子(DI)所指示的降解趋势并不完全一致,这或许与PAA-C(N)%和DI适用于不同降解阶段以及氨基酸来源与转化的多样性有关。

English Abstract

  • 氨基酸既是众多海洋有机物中最易受生物活动影响的组分,也是海洋有机碳、氮的重要储库[1]。根据氨基酸在海水中的不同形态,可将其分为溶解氨基酸(THAA)和颗粒氨基酸(PAA),PAA在海水中的浓度范围为0.03~13.7 μmol/L,其浓度在不同海区差异较大,受营养盐、光照、径流方向以及藻类等要素的多重影响[2]。在长江口及其邻近海域中,PAA浓度一般约为THAA浓度的1~3倍[1, 3]。PAA浓度占颗粒有机碳(POC)浓度的3%~50%,对颗粒氮(PN)的贡献可达80%[4],在颗粒有机质(POM)降解过程中,PAA中的碳和氮对POC和PN的贡献不断变小,据此,表示其贡献率的碳归一化产率(PAA-C%)和氮归一化产率(PAA-N%)被广泛用于表征POM的降解程度[4]。此外,根据个体氨基酸组成在降解过程中的不断变化而得到的降解因子(DI)也是指示有机质降解程度的典型参数[5]。有机质来源的组分与降解程度都影响氨基酸的种类和含量[1],基于部分典型个体氨基酸的相对比例而得到的衍生参数天门冬氨酸与谷氨酸之比(Asp/Gly)和苏氨酸与丝氨酸的摩尔百分数之和(Ser + Thr [mol%])可用来识别硅质与钙质碳源[6]。同时,由于海源和陆源有机物的C/N存在差异,C/N也被广泛用于指示海洋中有机质的陆、海来源[2]。不同来源的PAA在沉降过程中不断降解,最终进入沉积物界面,一部分继续生物降解过程形成无机氮,一部分通过底栖生物扰动和再悬浮作用回到海水中参与循环,还有一部分在沉积物中永久埋藏[7]。因此,了解海洋中PAA的分布、组成及其与环境因子的关系,并利用其衍生参数来指示POM的来源与降解,对于认识海洋生物地球化学循环有重要的意义。

    长江口及其邻近海域不仅是长江入海物质的重要堆积场所,也是陆海相互作用的关键地带,其复杂的水动力环境和生物地球化学循环过程会对陆源有机质的输运产生极大影响,而长江口有机质的分布与输送对近岸及整个东海海域的生态系统碳、氮循环具有重要意义[8]。目前已有不少学者对长江口及其邻近海域PAA的分布特征及其对POM的相关指示做了分析,例如,Wu等人利用PAA对长江流域至入海口的有机氮进行追踪[4];邵亮等对长江口徐六泾中PAA的分布及相关降解指示进行了研究[9];刘宗广对长江口及其邻近海域中PAA的季节性变化进行了调查研究[3]。这些研究充分论证了PAA作为海洋生物地球化学循环过程中重要示踪剂的可靠性与有效性。但是,以往的研究多注重分海区分站点进行调查,对长江口及其邻近海域从河口区到陆架区的连贯性整体调查仍然较为缺乏。因此,本文选择长江口及其邻近海域作为研究对象,于2018年3月对此海域中PAA的分布与组成进行全面调查,结合C/N评估了调查海域中陆源和海源有机质的相对贡献,并首次将Ser + Thr [mol%]和Asp/Gly用于长江口及其邻近海域颗粒物中硅质和钙质碳源的识别,同时,结合PAA-N%、PAA-C%以及DI研究了调查海域中POM的降解程度。该研究能够丰富我国在近海PAA方面的研究数据,并为进一步深入探究长江口及其邻近海域有机碳、氮的生物地球化学循环过程提供依据。

    • 本研究于2018年3月9日至3月24日搭载“科学三号”和“创新二号”调查船对长江口及其邻近海域开展现场调查(如图1),共11个断面50个站位。其中,在C和A6断面采集不同深度的海水样品,其余站位仅采集表层海水样品。海水用12 L Niskin Rosette采水器采集,采集后立即混合均匀并低压过滤,将滤液混合均匀装入聚乙烯塑料瓶,用于测定海水中溶解无机氮(DIN)的浓度,滤膜分别放入锡纸与离心管(用锡纸包裹好的)中,包入锡纸的滤膜用于测定PAA、POC和PN的浓度,放入离心管的滤膜用于测定Chl a的浓度,所得水样和滤膜均在−20 ℃环境下保存,所用玻璃纤维滤膜(Whatman GF/F)和锡纸均经高温灼烧(450 ℃,4.5 h)。此外,温度、盐度和深度等相关参数由CTD现场测定。

      图  1  2018年3月长江口及其邻近海域取样站位

      Figure 1.  Locations of sampling stations in the Changjiang Estuary and its adjacent area

    • PAA采用OPA-MPA(邻苯二甲醛-巯基丙酸)柱前衍生高效液相色谱法测定,所用仪器为Waters e2695高效液相色谱仪,使用Waters e2475荧光检测器(λex=337 nm,λem=454 nm)和Agilent ZORBAX Eclipse氨基酸分析柱[1]

      流动相:流动相A为0.05 mol/L的醋酸钠缓冲溶液(pH = 7.2 ± 0.05),并加入1%体积的四氢呋喃;流动相B为甲醇;流动相C为Milli-Q水;流动相D为甲醇、乙腈和Milli-Q水的混合溶液(体积比为1∶1∶1)。流动相均经超声振荡及滤膜(0.2 μm PALL Supor-450)过滤。

      衍生化试剂:A溶液为0.026 g OPA溶解于25 mL甲醇中的溶液;B溶液为0.68 g氢氧化钠、1.5 g氯化钾和1.24 g硼酸钠溶解于100 mL Milli-Q水中的硼酸钠缓冲溶液(pH = 9.9 ± 0.05)。先取20 µL 3-MPA与5 mL A溶液混合,然后用B溶液定容至25 mL,避光陈化1.5 h后使用。

      滤膜冻干后,将1/4滤膜、10 mL 6 mol/L的盐酸、40 μL抗坏血酸加入安瓿瓶(10 mL)中,用N2填充2 min,酒精喷灯封口,放入烘箱水解(110 ℃环境内22 h)。水解后离心,取2 mL上清液于梨形瓶中,进行旋蒸(55 ℃水浴),蒸干后用2 mL Milli-Q水溶解,超声振荡2 min,过滤膜(0.2 μm PALL Supor-450)后,取760 μL滤液加入有240 μL 3-MPA衍生化试剂的进样瓶中,衍生化10 min后自动进样(V = 20 μL)。

      测定时利用标准品的保留时间定性,外标法定量,标准曲线相关系数均大于0.996,此外,标准曲线的峰值为扣除空白后的数值,空白实验用1/4的空白滤膜进行前处理后测定。回收率采用空白加标工作曲线法,回收率均为75%~98%,测定精密度小于3%。

    • Chl a采用荧光法测定,避光条件下,用10 mL 90%的丙酮对离心管中的滤膜进行萃取(24 h),离心后使用荧光分光光度计(日立F-4500)对上清液进行分析[1]λex = 436 nm,λem = 670 nm),外标法定量,检出限为0.01 µg/L。

    • DIN使用全自动营养盐分析仪(Seal Analytical AA3)测定,DIN浓度为NO3-N、NO2-N和NH4-N浓度之和[1],其检出限分别为0.02 μmol/L、0.003 μmol/L和0.04 μmol/L,测定精密度小于3%。

    • POC与PN利用CHN元素分析仪(Perkin-Elmer 2400 II)同时测定[10],取1/4滤膜(与PAA测定时所取滤膜为同一张)冻干后装入银杯,用Milli-Q水润湿,放在干燥器(装有浓HCl)内,熏蒸8 h,然后再滴入浓HCl,最后将样品烘干(50 ℃)至恒重。将烘干后的样品用锡杯包好后,上机测定,标准偏差小于2%(n=6)。

    • (1)PAA-C%和PAA-N%:

      式中:Ci为氨基酸i的浓度(μmol/L);n(C)i为单个氨基酸i中C原子个数;n(N)i为单个氨基酸i中N原子个数。

      (2)DI

      式中:vari为氨基酸i的摩尔百分比;AVGi为氨基酸i的平均值;STDi为氨基酸i的标准偏差;fac.coefi为氨基酸i的系数因子。

    • 调查期间,研究海域中PAA、POC、PN、DIN、Chl a、温度和盐度的表层分布如图2所示。受低盐度、高营养盐的长江冲淡水(CJDW)的显著影响[11],表层海水中的盐度与DIN在整个研究海域中呈现相反的分布趋势,长江口内同时出现了盐度的最低值和DIN的最高值。从河口向东南方向延伸,盐度的增加和DIN浓度的降低都较为缓慢,这可能是受到冬季CJDW的残存影响[12]。在32°N以北的研究海域,表层水温低于8 ℃,随着纬度减小,温度逐渐升高。受台湾暖流(TWWC)影响[12],研究海域东南部存在温度和盐度的高值区。Chl a浓度整体呈现近岸高远岸低的表层分布特征,其高值区出现在从河口向东南方延伸的海域,推测是因为CJDW携带的大量营养盐促进了浮游植物生长。在A7-3等站位表层也出现了Chl a的高值,原因可能是这些站位受TWWC影响,水温较高,且位于最大浑浊带之外[13],光照充足,浮游植物生长更为旺盛。

      图  2  长江口及其邻近海域PAA(a)、POC(b)、PN(c)、Chl a(d)、DIN(e)、T(f)和S(g)的表层分布

      Figure 2.  Horizontal distributions of PAA (a), POC (b), PN (c), Chl a (d), DIN (e), temperature (f) and salinity (g) in the Changjiang Estuary and its adjacent area

      此次调查中,PAA、POC和PN的浓度范围分别为0.76~5.55 μmol/L、18.06~238.66 μmol/L和2.27~19.86 μmol/L,平均浓度分别为(1.86 ± 1.02)μmol/L、(74.21 ± 37.70)μmol/L和(7.52 ± 3.46)μmol/L。PAA的浓度高于其在胶州湾和东海海域的浓度[1,10],低于邵亮等人2006年对长江口徐六泾的调查结果和刘宗广2011年7月与8月对长江口及其邻近海域的调查结果[3,9],同时与刘宗广2011年11月的结果相似[3]。POC的浓度与邢建伟2012年冬季对长江口及其邻近海域的调查结果相似,同时低于其2012年春季的调查结果[8]。POM的分布呈现明显的海域与季节变化特征。

      在研究海域表层海水中,PAA、POC和PN的浓度均由近岸向远海逐渐降低,同时三者的最大值都出现在长江口外122°E—123°E的近岸海域,而非河口内,这与刘宗广对长江口及其邻近海域的研究结果一致[3]。一方面,CJDW为长江口及口外近岸海域输入大量有机质和营养盐,使近岸POM浓度高于远海;另一方面,CJDW所携带的大量颗粒物对河口区浮游植物的现场生产产生了光照限制,颗粒物的过高浓度及其在低盐度海区絮团状的存在形式都导致了河口区海水较高的浊度[14]。随着河口到近海盐度的增加,颗粒物的絮凝作用减弱,粒径细化,其对光照的限制即对浮游植物现场生产的限制减弱,从而导致长江口外近岸海域更高的POM浓度[14]

      C-A6断面涵盖了淡水端元、咸淡水混合区域和咸水端元,所以将其作为研究各参数垂直分布特征的典型断面。调查期间,C-A6断面中PAA、POC、PN、DIN、Chl a、温度和盐度的垂直分布如图3所示。温度、盐度和Chl a的垂直分布都较均匀。其中,Chl a在A6-6站位出现明显的分层,其浓度从表层向底层逐渐降低,这与表层海水中更为强烈的光照促进了浮游植物的生长有关。与刘宗广夏季和邢建伟春季的调查结果相比[3,8],调查期间,研究海域中PAA、POC和PN的混合较为均匀,但在A6-1、A6-2和A6-3等站位,底层PAA浓度明显高于表层,在刘宗广对长江口PAA的调查和邢建伟对长江口POC的调查中[3,8]也出现了类似现象,这是由于该海区水深较浅且受到长江水流的强烈扰动,沉积物中氨基酸通过再悬浮作用再次进入水体。研究发现,经过沉降进入沉积物界面的PAA,一部分可以通过再悬浮作用回到海水中参与循环[2]。河口区PAA的分布主要受陆源径流输送和浮游植物现场生产的影响,同时,底层沉积物再悬浮也是潜在的影响因素[3]

      图  3  长江口及其邻近海域PAA(a)、POC(b)、PN(c)、Chl a(d)、DIN(e)、T(f)和S(g)的垂直分布

      Figure 3.  Vertical distributions of PAA (a), POC (b), PN (c), Chl a (d), DIN (e), temperature (f) and salinity (g) in the Changjiang Estuary and its adjacent area

      为了进一步了解POM与各参数之间的关系,本文对其进行了相关性分析,如表1所示。研究海域中PAA、POC和PN的分布趋势十分相似,这与Wu等人对长江流域的调查结果一致[4],相关性分析也显示PAA、POC和PN两两均具有显著正相关性,这表明研究海域中三者的来源和去除途径具有一定相似性,事实上,同样作为POM的重要组成部分,PAA浓度占POC浓度的3%~50%,对PN浓度的贡献可达80%[4,10]。盐度与DIN、PAA、POC、Chl a之间的显著负相关性反映了低盐CJDW对该海域的显著影响。不同于Zhang等人2012年对东海的调查结果[1],Chl a与PAA之间并无相关性,这或许表明,在不同海域中PAA分布的影响因素可能不尽相同,相较于长江口及其邻近海域,东海受陆源输入影响更小,受浮游植物的影响更为明显。此外,除了受浮游植物的影响,POM的浓度分布也受陆源输入、水团混合、微生物消耗和沉积物再悬浮等过程的综合影响[2]

      PAAPOCPNDINSTChl a
      PAA10.806**0.775**0.297**−0.233*−0.0730.182
      POC10.970**0.387**−0.255*−0.2040.195
      PN10.329**−0.172−0.2000.106
      DIN1−0.816**0.0340.641**
      S10.043−0.667**
      T10.182
      Chl a1
      注:**为显著性相关. n = 70, P < 0.01

      表 1  长江口及其邻近海域PAA、POC、PN、DIN、Chl aTS的相关性矩阵

      Table 1.  Correlation matrix of PAA, POC, PN, DIN, Chl a, temperature and salinity in the Changjiang Estuary and its adjacent area

    • 调查期间,研究海域PAA的组成如图4所示。研究海域PAA中Asp、Glu、Ser、Gly和Ala的相对浓度较高,共占PAA总量的63.52%,其中,Gly的浓度最高,这与邵亮等人2003年对长江口徐六泾表层PAA的年度调查结果以及Zhang等人2012年对秋季东海表层PAA的调查结果类似[1,9]。优势个体氨基酸的种类与藻类有关。一方面,Asp、Glu、Ser和Gly等氨基酸是构成藻类蛋白质的主要成分,藻类通过细胞破裂、被浮游生物摄食以及光合作用等形式,将氨基酸从胞内释放到海洋中,这是PAA的重要来源之一[3];另一方面,硅藻是研究海域中的优势藻种[15],其细胞壁蛋白质富含Gly、Ser和Thr,因此,这些氨基酸的选择性保存或许是因为硅藻细胞壁中的蛋白质-二氧化硅复合体难以被降解[12]。各单体氨基酸较为稳定的摩尔百分比表明调查海域不同区域中PAA的种类和组成相似,这说明虽然各海区的DIN、温度、盐度、光照等环境参数不同,但是PAA的来源和去除途径相似[16]。个体氨基酸摩尔百分比之间的微小差异则与环境因子以及氨基酸的来源组分、降解顺序、降解程度的差异有关[7]。根据氨基酸所含官能团的不同,可将其分为碱性、酸性、中性、含硫、羟基和芳香氨基酸。研究海域PAA中中性氨基酸的占比最高,这与其性质稳定而易被保存下来有关。酸性氨基酸的比例高于碱性氨基酸,这或许是因为带正电的碱性氨基酸与带负电的伊利石(东海的优势矿物)发生了吸附[1],金属和氧化物表面的吸附和解吸作用同样是影响海水中氨基酸组成的控制因素[1]

      图  4  PAA中个体氨基酸(a)和不同分类的氨基酸(b)的平均摩尔组成(误差线指示平均标准偏差)

      Figure 4.  Mean mole percentage of individual (a) and grouped (b) amino acids in the PAA

    • C/N在颗粒态样品中可表述为POC/PN[2]。一般海源有机物C/N的范围为5~7,陆源有机物C/N大于15[2]。Ser + Thr [mol%]为Ser和Thr在氨基酸中所占相对摩尔百分比之和,Asp/Gly为Asp和Gly相对摩尔百分比的比值[6]。根据不同的化学性质,分别以硅藻和球石藻作为海洋硅质和钙质碳源的代表,并确定其氨基酸组成。结果发现,在钙质碳源中,Asp/Gly较高,为1.88,Ser + Thr [mol%]较低,为9.0%,而在硅质碳源中,Asp/Gly较低,为0.62,Ser + Thr [mol%]则为16.9%[6]

      调查期间,研究海域颗粒物中的C/N、Asp/Gly和Ser + Thr [mol%]的均值分别为(9.87 ± 1.68)、(0.66 ± 0.17)和(17.34 ± 1.49)%,范围分别为7.13~14.20、0.34~1.11和14.73%~22.91%,其表层分布如图5所示,垂直分布如图6所示。C/N在研究海域表层海水中由近岸向远海逐渐降低,表明从河口向外海,陆源输入降低,海源输入升高。较高的Ser + Thr [mol%]和较低的Asp/Gly说明研究海域颗粒物中的碳源主要是硅质碳源,这可能与该海域中硅藻的优势生物量有关[15],在海-陆物质的相互交换下,以硅藻为主导的初级生产者为该海域输入大量的氨基酸等有机物。Asp/Gly总体上波动不大,从研究海域西南方向近岸处向东北方向逐渐降低,Ser + Thr [mol%]的分布趋势则与此相反,共同指示出硅质碳源的比例从研究海域西南方向近岸处向东北方向逐渐增加,这与李照等人2013年对3月份长江口邻近海域硅藻分布趋势的调查结果相似[15],佐证了硅藻对研究海域中有机质的贡献。C/N、Asp/Gly与Ser + Thr [mol%]在垂直分布上都较为均匀,在A6-5和A6-6站位表层海水中,出现了Ser + Thr [mol%]的高值区,与底部发生了分层,同时此处也是Chl a的高值区,据此推断,可能是此处表层海水中营养盐、温度与光照等条件达到了一种平衡状态,促进了硅藻的生长发育。

      图  5  长江口及其邻近海域C/N比值(a)、Asp/Gly(b)和Ser + Thr [mol%](c)的水平分布

      Figure 5.  Horizontal distributions of C/N ratios (a), Asp/Gly (b) and Ser + Thr [mol%] (c) in the Changjiang Estuary and its adjacent area

      图  6  长江口及其邻近海域C/N比值(a)、Asp/Gly(b)和Ser + Thr [mol%](c)的垂直分布

      Figure 6.  Vertical distributions of C/N ratios (a), Asp/Gly (b) and Ser + Thr [mol%] (c) in the Changjiang Estuary and its adjacent area

    • PAA-C%和PAA-N%分别表征PAA中碳和氮对POC和PN的贡献率[4],随着POM降解程度加深,PAA-C%和PAA-N%也逐渐变小。DI是根据个体氨基酸的组成在降解过程中的不同变化,使用主成分分析法(PCA)计算得到的一种指示参数[5],其范围一般为−1.5~1。有机质降解程度越大,DI值越负;有机质越新鲜,DI值越正[16]

      调查期间,研究海域颗粒物中的PAA-C%、PAA-N%和DI的均值分别为(11.31 ± 3.78)%、(31.38 ± 9.12)%和(−0.31 ± 0.43),范围分别为5.22%~21.96%、16.70%~57.87%和−1.21~0.84,其表层分布如图7所示,垂直分布如图8所示。PAA-C%、PAA-N%低于Wu等人2003年对长江口流域颗粒物的调查结果和刘宗广2011年对长江口及其邻近海域的调查结果[3-4],高于王丽玲等人2007年对长江口邻近海域沉积物的调查结果[17],这表明沉积物中有机质的降解程度要高于POM。事实上,在POM由表层水体沉降至沉积物之前,大部分POM已被降解、吸收或转化为溶解态有机质再次进入循环[10]。整体看来,PAA-C%和PAA-N%的表层分布十分相似,与DI一样,呈现近岸降解程度高于远岸的特征,这与刘宗广2011年对长江口及其邻近海域POM的调查结果类似[3]。一方面,陆源输入为近岸海域带来大量高降解有机质,随着离岸距离的增加,陆源输入的影响越来越弱,POM也越新鲜;另一方面,新鲜的POM主要来源于浮游植物初级生产[2],而河口区浮游植物的现场生产受到了光照等因素限制,进一步导致近岸POM的降解程度高于远海。在C-A6断面中,DI与PAA-C%、PAA-N%呈现不同的垂直分布趋势,DI整体较为均匀,在C7、C8等站位呈现出底层降解程度高于表层,而PAA-C%和PAA-N%在C4、A6-2等站位呈现底层降解程度低于表层的特征。相关性分析也显示,PAA-C(N)%与DI并无相关性。一方面,这可能与PAA-C(N)%和DI适用不同的降解阶段有关,有机物的成岩转化是一个动态过程,不能依赖单独一个降解因子准确描述整个过程[18],研究发现PAA-C(N)%最适用降解的早期,DI则在降解中期更为灵敏[19];另一方面,这或许与DI同时受有机物形成和讲解过程的共同影响却不能区分这两个过程的具体影响有关[12],有机物来源与转化的多样性使得在利用DI时需要更加仔细。

      图  7  长江口及其邻近海域PAA-C%(a)、PAA-N%(b)以及DI(c)的水平分布

      Figure 7.  Horizontal distributions of PAA-C% (a), PAA-N% (b) and DI (c) in the Changjiang Estuary and its adjacent area

      图  8  长江口及其邻近海域PAA-C%(a)、PAA-N%(b)以及DI(c)的垂直分布

      Figure 8.  Vertical distributions of PAA-C% (a), PAA-N% (b) and DI (c) in the Changjiang Estuary and its adjacent area

      相关性分析显示,在研究海域颗粒物中,DI与His(r2 = 0.0876, P < 0.01)、Met(r2 = 0.3058, P < 0.01)、Glu(r2 = 0.3434, P < 0.01)、Ile(r2 = 0.2228, P < 0.01)和Leu(r2 = 0.5373, P < 0.01)的相对摩尔百分比呈显著正相关性,与Ser(r2 = 0.1632, P < 0.01)、Gly(r2 = 0.2181, P < 0.01)、Thr(r2 = 0.2704, P < 0.01)、Arg(r2 = 0.1390, P < 0.01)和Ala(r2 = 0.4058, P < 0.01)的相对摩尔百分比呈显著负相关性。这些结果说明,随着有机质的降解,Ser、Gly、Thr、Arg和Ala被保留下来,而His、Met、Glu、Ile和Leu被消耗。一方面,Gly、Ala与其他个体氨基酸相比结构更简单,化学特性更稳定,所以易被保存下来[18];另一方面,硅藻细胞壁中不易被降解的蛋白质-二氧化硅复合体也使Gly、Ser和Thr被保存下来[12]。同时,硅藻细胞富含Asp、Glu、Val、Ile、Tyr和Phe等易被降解的氨基酸,随着有机质降解程度加深,它们的浓度急剧下降[12]。此外,DI与Glu的相对摩尔百分比呈显著正相关性,这与Glu是新鲜POM的指示因子有关[5],因为Glu在降解时会发生脱羧反应转化为非蛋白质氨基酸,总氨基酸中Glu占比的降低是惰性POM的典型特征之一[20]

    • (1)受CJDW陆源输入和浮游植物现场生产的显著影响,研究海域表层海水中PAA、POC和PN的浓度、C/N以及POM降解程度(PAA-C%、PAA-N%、DI)均表现出由近岸向远海逐渐降低的特征,同时受光照限制的影响,长江口内PAA浓度低于口外近海。此外,较高的Ser + Thr [mol%]和较低的Asp/Gly表明POM主要源于硅质碳源,这与该海域中硅藻的优势生物量有关。

      (2)在C-A6断面中,PAA、POC、PN、C/N、Ser + Thr [mol%]和Asp/Gly的垂直分布都较为均匀。个别站位底层由于沉积物再悬浮出现了PAA的较高值。DI与PAA-C(N)%的垂直分布有所不同,这或许与它们适用于不同降解阶段以及氨基酸来源与转化的多样性有关。

      (3)相关性分析表明,陆源输入相较于浮游植物现场生产对PAA分布的影响更大,PAA、POC和PN的来源和去除途径相似。

      (4)PAA中的优势氨基酸为Asp、Glu、Ser、Gly和Ala,共占PAA的63.52%。随着有机质的降解,Ser、Gly、Thr、Arg和Ala被保留,而His、Met、Glu、Ile和Leu被消耗。个体氨基酸的组成和降解与其自身性质以及藻类的保存、释放有关。

      (5)与以往的研究海域或相邻海域PAA研究结果相比,本研究中的PAA组成类似,但浓度有所变化。PAA的平均浓度低于长江口内而高于东海,这与CJDW有限的陆源输入影响范围有关。此外,与同海域夏季的调查结果相比,PAA的含量更低,POM的降解程度更高,这应与3月份浮游植物的现场生产远弱于夏季有关。长江口及其邻近海域中POM的分布与降解呈现明显的海域与季节变化特征。

参考文献 (20)

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