海水中DMS和DMSP的生物生產(chǎn)與消費(fèi)的研究.pdf

1、二甲基硫(DMS)是參與全球硫循環(huán)的最主要的海洋生源硫化物,其在大氣中的氧化產(chǎn)物會(huì)對(duì)全球氣候變化和酸雨的形成產(chǎn)生重要影響。二甲基巰基丙酸內(nèi)鹽(DMSP)是DMS的重要前體物質(zhì),在DMSP裂解酶的作用下分解產(chǎn)生DMS。生物生產(chǎn)與消費(fèi)被認(rèn)為是海洋中DMS和DMSP的主要來(lái)源和去除途徑,在DMS及DMSP的生物地球化學(xué)循環(huán)中起著重要作用,決定表層海水中DMS濃度以及海-氣通量。因此表層海水中DMS及DMSP生物生產(chǎn)和消費(fèi)的研究,有助于衡量海洋

2、生物對(duì)海水中DMS和DMSP的貢獻(xiàn),進(jìn)一步深入了解DMS和DMSP的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。
　　 本論文首先以受人類(lèi)活動(dòng)影響較大的中國(guó)半封閉海域北黃海為研究區(qū)域,對(duì)海水中DMS生物生產(chǎn)和消費(fèi)速率的時(shí)空變化及其影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究,初步衡量了此海域表層海水中微生物消費(fèi)和海-氣擴(kuò)散在DMS去除過(guò)程中的相對(duì)重要性。其次,通過(guò)室內(nèi)藻類(lèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),研究了中國(guó)近海海域常見(jiàn)藻種DMS和DMSP生產(chǎn)釋放情況,并探討了相關(guān)理化因子的影響。在美國(guó)M

3、exico海灣沿岸海域,通過(guò)35S同位素示蹤法,首次評(píng)估了溶解態(tài)DMSP(DMSPd)的生物可利用率,并定量研究了DMSPd和顆粒態(tài)DMSP(DMSPp)生物消費(fèi)對(duì)于DMS生物生產(chǎn)的相對(duì)貢獻(xiàn)。主要研究結(jié)果如下:
　　 1.北黃海表層海水中DMS生物生產(chǎn)與消費(fèi)速率以及相關(guān)因素的研究
　　 (1)于2006年12月.2007年1月、2007年4-5月和10月對(duì)我國(guó)北黃海海域表層海水中DMS生物生產(chǎn)和消費(fèi)速率的時(shí)空變化進(jìn)行了研

4、究。冬季北黃海表層海水中DMS生物生產(chǎn)和消費(fèi)速率分別為5.41(1.91～13.0)和3.84(0.81～11.6)nM d-1;春季速率分別為6.42(2.38～18.9)和3.71(1.74～13.2)nM d-1;秋季速率分別為7.35(2.04～15.9)和5.67(1.67～13.8)nM d-1。研究表明,北黃海表層海水中.DMS生物生產(chǎn)速率在各季節(jié)變化趨勢(shì)為:秋季＞春季＞冬季,三個(gè)季節(jié)的平均值為6.39±0.152 nM

5、d-1:而DMS生物消費(fèi)速率季節(jié)變化中,秋季明顯高于春、冬兩季,三個(gè)季節(jié)的平均值為4.41±0.249 nM d-1。從空間分布看來(lái),各季節(jié)DMS生物生產(chǎn)和消費(fèi)速率具有相似的空間變化趨勢(shì)。冬季,DMS生產(chǎn)速率和消費(fèi)速率在遼東半島和山東半島近岸出現(xiàn)高值區(qū),而中部海域則為其低值區(qū)。春季,二者的高值區(qū)位于靠近遼東半島東南部的近海海域,在鴨綠江入?？谶_(dá)到最低值。秋季,遼南沿岸區(qū)域是DMS生物生產(chǎn)和消費(fèi)速率高值區(qū),北黃海中部海區(qū)的生產(chǎn)和消費(fèi)速率值

6、則偏低。
　　 (2)北黃海表層海水中DMS生物生產(chǎn)與消費(fèi)過(guò)程受現(xiàn)場(chǎng)海洋物理、化學(xué)和生物條件(如:溫度、鹽度、DMSPd和DMS濃度、葉綠素口以及浮游植物組成等)不同程度的影響,是一個(gè)復(fù)雜的生物地球化學(xué)過(guò)程。冬季,DMS生物生產(chǎn)速率皆受到各種物理、化學(xué)和生物因子的影響,其中Chlα的影響最為顯著,其次為海水表層溫度和DMSPp濃度。春季和秋季,現(xiàn)場(chǎng)DMSPd和DMSPp濃度對(duì)于DMS生物生產(chǎn)速率的影響均較為顯著。而對(duì)于DMS生物

7、消費(fèi)速率,冬季和秋季均受到DMS現(xiàn)場(chǎng)濃度的影響,海水表層溫度和鹽度只在冬季有顯著的影響。海水物理、化學(xué)和生物因子皆會(huì)影響北黃海表層海水中DMS生物生產(chǎn)速率和消費(fèi)速率,但其影響程度具有明顯的季節(jié)差異性。
　　 (3)北黃海表層海水中DMS生物生產(chǎn)速率皆高于其消費(fèi)速率,總體平均高出65％,導(dǎo)致DMS凈生物生產(chǎn)作用。而且,DMS生產(chǎn)速率和消費(fèi)速率二者之間存在很好的相關(guān)性,表明DMS生物生產(chǎn)與其微生物消費(fèi)構(gòu)成一個(gè)緊密的生物循環(huán)過(guò)程。冬季

8、、春季和秋季北黃海表層海水中DMS微生物消耗的生物周轉(zhuǎn)時(shí)間τbio分別為0.834(0.2～1.73)、1.59(0.406～4.65)和0.666(0.240～1.36)d;而DMS海-氣周轉(zhuǎn)時(shí)間τsea-air分別為6.30(0.122～32.3)、5.04(0.868～32.6)和10.0(0.635～56.2)d。冬季、春季和秋季,τsea-air/τbio的比值平均值分別為10.95、3.97、17.94。由此看來(lái),北黃海表層

9、中DMS微生物消耗相對(duì)于海一氣擴(kuò)散在DMS遷移轉(zhuǎn)化中的作用更加明顯。
　　 2.三種海洋浮游微藻的DMS、DMSP生產(chǎn)的研究
　　 本文選取了三種中國(guó)近海常見(jiàn)藻種,即三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)、海洋原甲藻(Prorocentrum micans)和球等鞭金藻(8701品系,Isochrysis galbana)為研究對(duì)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究了這些海洋微藻生長(zhǎng)周期內(nèi)藻體細(xì)胞內(nèi)外DMS

10、P及釋放到水體中DMS濃度,并研究了不同鹽度、硝酸鹽濃度和Fe3+濃度條件對(duì)三種微藻DMSP、DMS生產(chǎn)的影響以及硅酸鹽濃度對(duì)三角褐指藻的影響。結(jié)果表明:
　　 (1)海洋原甲藻細(xì)胞外的DMSP濃度顯著高于三角褐指藻和海洋原甲藻的相應(yīng)濃度。單位生物量?jī)?nèi),海洋原甲藻DMSPp含量分別比三角褐指藻高出3個(gè)數(shù)量級(jí),比球等鞭金藻8701也高出2個(gè)數(shù)量級(jí)。這三種微藻在生長(zhǎng)期后期DMS濃度增長(zhǎng)速率均較初期明顯提高。
　　 (2)高硝

11、酸鹽濃度抑制海洋原甲藻和三角褐指藻DMSPp的產(chǎn)生;但球等鞭金藻8701的DMSPp生產(chǎn)卻不受硝酸鹽濃度的影響。海洋原甲藻的DMS生產(chǎn)受[NO3]影響最為顯著,低[NO3]下DMS/Chlα的比值是高[NO3]下的7倍。
　　 (3)高鹽環(huán)境能夠增強(qiáng)三角褐指藻和海洋原甲藻細(xì)胞內(nèi)DMSP的生產(chǎn),并促進(jìn)培養(yǎng)液中DMS生產(chǎn),而低鹽度則明顯降低這兩種微藻生產(chǎn)DMS的能力。鹽度對(duì)球等鞭金藻8701細(xì)胞內(nèi)外DMSP產(chǎn)量和DMS生產(chǎn)無(wú)明顯影響

12、。
　　 (4)高[Fe3+]有助于三角褐指藻和海洋原甲藻藻液中DMSPd的形成,降低球等鞭金藻8701中DMSPd的生產(chǎn)。高濃度Fe3+能夠促進(jìn)球等鞭金藻8701細(xì)胞內(nèi)DMSP的合成,卻抑制了海洋原甲藻細(xì)胞內(nèi)DMSP的生產(chǎn)。低濃度Fe3+則明顯提高海洋原甲藻和球等鞭金藻藻液中DMS的產(chǎn)量;[Fe3+]的變化未對(duì)三角褐指藻DMS和DMSPp生產(chǎn)有影響。
　　 (5)低硅酸鹽濃度條件下三角褐指藻的單位生物量DMSPp濃度高

13、于中高水平硅酸鹽條件下的相應(yīng)濃度,表明低濃度能夠有利于其細(xì)胞內(nèi)DMSP的生成。單位生物量DMS生產(chǎn)能力也在低硅酸鹽濃度培養(yǎng)液中得到加強(qiáng),在高于214μM硅酸鹽濃度條件下單細(xì)胞DMS產(chǎn)量較低且變化不大。
　　 3.Mexico海灣沿岸海域DMSPd生物可利用率和周轉(zhuǎn)的評(píng)估
　　 DMSPd是海洋細(xì)菌體內(nèi)一種重要酶作用有機(jī)底物和活性硫氣體DMS的前體物質(zhì)。本研究中,Mexico海灣沿岸海域DMSPd生物消費(fèi)速率通過(guò)兩種方法進(jìn)

14、行測(cè)定:一種是借助于DMSP吸收(DMSP-uptake)的抑制劑甘氨酸甜菜堿(GBT)來(lái)確定的抑制劑方法,另一種是35S-DMSP示蹤的動(dòng)力學(xué)方法。這兩種方法都需要確定海水中DMSPd的濃度,其中,DMSPd樣品通過(guò)Whatman GF/F濾膜(0.7μm)進(jìn)行小體積重力過(guò)濾(SVDF)采集,隨即將DMSP進(jìn)行堿解得到DMS來(lái)定量確定DMSPd。其中,35S-DMSP示蹤法提供的DMSPd周轉(zhuǎn)速率(35.7～215nM d-1)比GB

15、T抑制劑方法得到的值(0.34～21.6 nM d-1)高出1.7～152倍。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確定了GBT能夠有效抑制DMSPd的降解,而35S-DMSP示蹤法能提供準(zhǔn)確的DMSPd降解速率常數(shù),這樣采用SVDF方法采集測(cè)定DMSPd濃度([DMSPd]SVDF)可能是DMSPd降解速率估算的一個(gè)潛在的誤差來(lái)源。的確,GF/F濾液培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明[DMSPd]SVDF可能高估了DMSPd的生物可利用率,這主要有兩個(gè)原因:(1)在GF/F濾液中,1

16、0～37％的DMSP存在于粒徑大于0.2 μm的顆粒物中,而并非是溶解態(tài)的;(2)在真正以溶解態(tài)存在的DMSP(DMSPd<0.21μm)中,0.5～1.O nM的DMSP在幾天內(nèi)難以降解,這部分DMSP占到相應(yīng)DMSPdsvDF的40～99％。目前,對(duì)于這部分難降解的DMSP本質(zhì)還是未知的。在此研究海域中,所估測(cè)的DMSPd濃度非常低,在0.006～1.O nM范圍內(nèi),平均值為0.41 nM。本研究建議DMSPd周轉(zhuǎn)和其對(duì)于海洋中硫和

17、碳通量的貢獻(xiàn)需要重現(xiàn)評(píng)估。
　　 4.Mexico海灣沿岸海域DMSP生物降解對(duì)DMS生物生產(chǎn)的貢獻(xiàn)表層海水中,溶解態(tài)和顆粒態(tài)DMSP都是DMS重要來(lái)源,對(duì)海洋中DMS生產(chǎn)具有重要的貢獻(xiàn)。本研究中,監(jiān)測(cè)Mexico海灣沿岸海域的表層海水及其GF/F濾液中DMS和DMSPd濃度變化趨勢(shì),結(jié)果發(fā)現(xiàn)DMSPd消耗可能促進(jìn)或不影響DMS的生產(chǎn)。GBT能夠短時(shí)間內(nèi)抑制DMSPd的降解,并且此期間GBT能夠促進(jìn)DMSPp降解和DMS生產(chǎn),而

18、不影響DMS的降解和產(chǎn)率,表明DMSPp對(duì)DMS生產(chǎn)具有重要貢獻(xiàn)。現(xiàn)場(chǎng)海水的黑暗培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中,在忽略DMS光化學(xué)和海-氣擴(kuò)散過(guò)程的情況下,測(cè)定DMS凈生產(chǎn)速率、DMSPd消費(fèi)速率、DMSPd降解為DMS的產(chǎn)率及DMS微生物消費(fèi)速率,首次定量估算了DMSPp對(duì)于DMS生產(chǎn)的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明來(lái)自DMSPd降解的DMS生產(chǎn)速率((DMS生產(chǎn)速率)DMSPd)為0.13～1.72 nM d-1,而來(lái)自DMSPp轉(zhuǎn)化的DMS生產(chǎn)速率((DMS生產(chǎn)速率