海水中DMS和DMSP的生物生產(chǎn)與消費的研究.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)物會對全球氣候變化和酸雨的形成產(chǎn)生重要影響。二甲基巰基丙酸內鹽(DMSP)是DMS的重要前體物質,在DMSP裂解酶的作用下分解產(chǎn)生DMS。生物生產(chǎn)與消費被認為是海洋中DMS和DMSP的主要來源和去除途徑,在DMS及DMSP的生物地球化學循環(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)和消費的研究,有助于衡量海洋

2、生物對海水中DMS和DMSP的貢獻,進一步深入了解DMS和DMSP的生物地球化學循環(huán)過程。
　　 本論文首先以受人類活動影響較大的中國半封閉海域北黃海為研究區(qū)域,對海水中DMS生物生產(chǎn)和消費速率的時空變化及其影響因素進行系統(tǒng)的研究,初步衡量了此海域表層海水中微生物消費和海-氣擴散在DMS去除過程中的相對重要性。其次,通過室內藻類培養(yǎng)實驗,研究了中國近海海域常見藻種DMS和DMSP生產(chǎn)釋放情況,并探討了相關理化因子的影響。在美國M

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

4、究。冬季北黃海表層海水中DMS生物生產(chǎn)和消費速率分別為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)變化趨勢為:秋季＞春季＞冬季,三個季節(jié)的平均值為6.39±0.152 nM

5、d-1:而DMS生物消費速率季節(jié)變化中,秋季明顯高于春、冬兩季,三個季節(jié)的平均值為4.41±0.249 nM d-1。從空間分布看來,各季節(jié)DMS生物生產(chǎn)和消費速率具有相似的空間變化趨勢。冬季,DMS生產(chǎn)速率和消費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,在鴨綠江入海口達到最低值。秋季,遼南沿岸區(qū)域是DMS生物生產(chǎn)和消費速率高值區(qū),北黃海中部海區(qū)的生產(chǎn)和消費速率值

6、則偏低。
　　 (2)北黃海表層海水中DMS生物生產(chǎn)與消費過程受現(xiàn)場海洋物理、化學和生物條件(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,是一個復雜的生物地球化學過程。冬季,DMS生物生產(chǎn)速率皆受到各種物理、化學和生物因子的影響,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DMSPd和DMSPp濃度對于DMS生物生產(chǎn)速率的影響均較為顯著。而對于DMS生物

7、消費速率,冬季和秋季均受到DMS現(xiàn)場濃度的影響,海水表層溫度和鹽度只在冬季有顯著的影響。海水物理、化學和生物因子皆會影響北黃海表層海水中DMS生物生產(chǎn)速率和消費速率,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)速率皆高于其消費速率,總體平均高出65％,導致DMS凈生物生產(chǎn)作用。而且,DMS生產(chǎn)速率和消費速率二者之間存在很好的相關性,表明DMS生物生產(chǎn)與其微生物消費構成一個緊密的生物循環(huán)過程。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時間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-氣周轉時間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,北黃海表層

9、中DMS微生物消耗相對于海一氣擴散在DMS遷移轉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近海常見藻種,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)為研究對象,通過實驗室培養(yǎng)實驗研究了這些海洋微藻生長周期內藻體細胞內外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+濃度條件對三種微藻DMSP、DMS生產(chǎn)的影響以及硅酸鹽濃度對三角褐指藻的影響。結果表明:
　　 (1)海洋原甲藻細胞外的DMSP濃度顯著高于三角褐指藻和海洋原甲藻的相應濃度。單位生物量內,海洋原甲藻DMSPp含量分別比三角褐指藻高出3個數(shù)量級,比球等鞭金藻8701也高出2個數(shù)量級。這三種微藻在生長期后期DMS濃度增長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)境能夠增強三角褐指藻和海洋原甲藻細胞內DMSP的生產(chǎn),并促進培養(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。鹽度對球等鞭金藻8701細胞內外DMSP產(chǎn)量和DMS生產(chǎn)無明顯影響

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+能夠促進球等鞭金藻8701細胞內DMSP的合成,卻抑制了海洋原甲藻細胞內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濃度,表明低濃度能夠有利于其細胞內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,在高于214μM硅酸鹽濃度條件下單細胞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的評估
　　 DMSPd是海洋細菌體內一種重要酶作用有機底物和活性硫氣體DMS的前體物質。本研究中,Mexico海灣沿岸海域DMSPd生物消費速率通過兩種方法進

14、行測定:一種是借助于DMSP吸收(DMSP-uptake)的抑制劑甘氨酸甜菜堿(GBT)來確定的抑制劑方法,另一種是35S-DMSP示蹤的動力學方法。這兩種方法都需要確定海水中DMSPd的濃度,其中,DMSPd樣品通過Whatman GF/F濾膜(0.7μm)進行小體積重力過濾(SVDF)采集,隨即將DMSP進行堿解得到DMS來定量確定DMSPd。其中,35S-DMSP示蹤法提供的DMSPd周轉速率(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。進一步實驗確定了GBT能夠有效抑制DMSPd的降解,而35S-DMSP示蹤法能提供準確的DMSPd降解速率常數(shù),這樣采用SVDF方法采集測定DMSPd濃度([DMSPd]SVDF)可能是DMSPd降解速率估算的一個潛在的誤差來源。的確,GF/F濾液培養(yǎng)實驗表明[DMSPd]SVDF可能高估了DMSPd的生物可利用率,這主要有兩個原因:(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在幾天內難以降解,這部分DMSP占到相應DMSPdsvDF的40～99％。目前,對于這部分難降解的DMSP本質還是未知的。在此研究海域中,所估測的DMSPd濃度非常低,在0.006～1.O nM范圍內,平均值為0.41 nM。本研究建議DMSPd周轉和其對于海洋中硫和

17、碳通量的貢獻需要重現(xiàn)評估。
　　 4.Mexico海灣沿岸海域DMSP生物降解對DMS生物生產(chǎn)的貢獻表層海水中,溶解態(tài)和顆粒態(tài)DMSP都是DMS重要來源,對海洋中DMS生產(chǎn)具有重要的貢獻。本研究中,監(jiān)測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,結果發(fā)現(xiàn)DMSPd消耗可能促進或不影響DMS的生產(chǎn)。GBT能夠短時間內抑制DMSPd的降解,并且此期間GBT能夠促進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DMS生產(chǎn)具有重要貢獻。現(xiàn)場海水的黑暗培養(yǎng)實驗中,在忽略DMS光化學和海-氣擴散過程的情況下,測定DMS凈生產(chǎn)速率、DMSPd消費速率、DMSPd降解為DMS的產(chǎn)率及DMS微生物消費速率,首次定量估算了DMSPp對于DMS生產(chǎn)的貢獻。結果表明來自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,而來自DMSPp轉化的DMS生產(chǎn)速率((DMS生產(chǎn)速率