李江萍,高旭旭,張洪海,2,楊桂朋,2??
(1. 中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山東 青島 266100; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266237)
二甲基硫(Dimethylsulfide,DMS)是海水中含量最豐富的揮發(fā)性生源硫化物,它主要由其前體物質(zhì)二甲基巰基丙酸內(nèi)鹽(Dimethylsulfoniopropionate,DMSP)分解產(chǎn)生。DMS在全球硫循環(huán)中發(fā)揮著重要作用,它可通過(guò)海-氣交換進(jìn)入大氣,并對(duì)氣候和環(huán)境變化產(chǎn)生重要的影響[1]。二甲亞砜(Dimethylsulfoxide,DMSO)是亞砜分子中分子量最小、也是最具有代表性的化合物,它在海水、淡水、雨水、河口和鹽湖中廣泛存在[2]。DMSO是海水中主要的溶解態(tài)生源硫化物,它可由浮游植物細(xì)胞釋放產(chǎn)生,也可通過(guò)DMS的光化學(xué)氧化和微生物氧化生成[3-5],此外DMSO還可在某些厭氧細(xì)菌及微生物的作用下還原成DMS。Hatton[6]研究發(fā)現(xiàn)DMSO可在沉積物中產(chǎn)生,因此,沉積物可能成為深層海水中DMSO的來(lái)源,沉積物間隙水中DMSO的含量直接影響到沉積物與上覆水之間DMSO的交換。最新研究發(fā)現(xiàn),某些合成DMSP的藻類(lèi)和海洋細(xì)菌可以合成一種叫dimethylsulfoxonium propionate(DMSOP)的物質(zhì),DMSOP可以在海洋細(xì)菌的作用下降解生成DMSO[7],這也是DMSO的來(lái)源之一。盡管DMSO揮發(fā)性較弱,不能直接對(duì)全球的氣候變化造成影響,但作為DMS潛在的源和匯,它可以通過(guò)與DMS的相互關(guān)系,在DMS的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮重要的作用,并對(duì)氣候造成間接影響[8-9]。
目前,國(guó)外對(duì)于DMSO的分布、來(lái)源途徑及影響因素的研究已取得了較好的進(jìn)展[10-12],國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)DMSO的測(cè)定方法及其在中國(guó)近海DMSO的分布及影響因素也進(jìn)行了一定的研究[2,8,13-14],但對(duì)于沉積物間隙水中DMSO的研究相對(duì)較少,對(duì)海洋DMSO的源匯過(guò)程缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。此外,作為DMS潛在的源與匯,DMSO是海洋硫循環(huán)的重要一環(huán),然而國(guó)內(nèi)關(guān)于DMSO的研究工作遠(yuǎn)落后于對(duì)其它生源有機(jī)硫化物DMS、DMSP等的研究。本文選擇生態(tài)環(huán)境受人類(lèi)活動(dòng)影響較大的東海為調(diào)查海域,通過(guò)秋、夏兩個(gè)航次的調(diào)查取樣,對(duì)海區(qū)內(nèi)DMSO的水平和垂直分布以及季節(jié)差異等進(jìn)行了考察,并探究了DMSO與Chla、溫度、鹽度等環(huán)境因子之間的關(guān)系,重點(diǎn)探討了不同粒徑浮游植物對(duì)DMSOp的貢獻(xiàn),并且對(duì)沉積物間隙水中DMSOd的濃度進(jìn)行了測(cè)定,探討了DMSO的來(lái)源過(guò)程,豐富了我國(guó)在東部陸架海區(qū)生源硫循環(huán)的研究?jī)?nèi)容,有利于更好地了解海洋生源硫的生物地球化學(xué)循環(huán)及環(huán)境氣候效應(yīng)。
于2013年10月10日~11月21日(秋季)、2014年5月25日~6月11日(夏初)分別搭乘“科學(xué)三號(hào)”和“科學(xué)一號(hào)”科考船對(duì)中國(guó)東海海域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,調(diào)查站位如圖1所示。秋季航次共包括7個(gè)斷面、30個(gè)站位,夏初航次共設(shè)7個(gè)斷面、23個(gè)站位。另外,選取秋季航次DH1斷面研究DMSO的垂直變化規(guī)律,在DH2-2、DH4-2、DH5-1、DH6-3和DH7-3五個(gè)站位分別采集沉積物間隙水樣品,研究沉積物對(duì)于底層海水DMSO的貢獻(xiàn)。此外,在秋季航次選取9個(gè)站位進(jìn)行不同粒徑浮游植物中DMSOp的分布分析,討論不同粒徑浮游植物對(duì)于Chla和DMSOp的貢獻(xiàn)。本次調(diào)查在近岸和遠(yuǎn)海均有采樣站點(diǎn),具有一定代表性,能夠代表整個(gè)調(diào)查海域中Chla和DMSOp的粒徑分布情況。
海水樣品使用Niskin Rosette采水器采集,采樣深度、海水溫度、鹽度等可由直讀式溫鹽深儀(CTD)直接讀取。對(duì)于DMSOd樣品,將采集到的海水通過(guò)直徑為47 mm的Whatman GF/F玻璃纖維濾膜進(jìn)行重力過(guò)濾,待濾過(guò)幾毫升海水后,接取4 mL濾液轉(zhuǎn)移至樣品瓶中,向內(nèi)加入20 μL 25%鹽酸固定。對(duì)于DMSOt樣品,直接取4 mL未經(jīng)過(guò)濾的海水置于盛有20 μL 25%鹽酸的樣品瓶中,低溫避光保存。
對(duì)于沉積物間隙水樣品的采集,在Broadbent和Jones[15]所提出方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定改進(jìn),具體操作流程如下:利用箱式采泥器將樣品采集到甲板后,將特制的帶孔PVC管(直徑12 cm左右)緩慢插入到采集的沉積物中取得柱狀樣沉積物,然后將間隙水采集管穿過(guò)PVC管上的小孔插入沉積物中,并用一次性無(wú)菌針頭與之相連接,最后將針頭插入一次性真空采血管,沉積物間隙水即通過(guò)間隙水采樣管進(jìn)入采血管中,共采集間隙水樣品2 mL。自表到底每隔1 cm取一層樣品,共采集6層。
圖1 2013年秋季和2014年夏初東海海域調(diào)查站位圖
對(duì)于DMSOp粒徑分級(jí)樣品,將100 mL表層海水樣品依次通過(guò)孔徑為20、5、2和0.2 μm的濾膜進(jìn)行重力過(guò)濾,將過(guò)濾后的濾膜迅速轉(zhuǎn)移至盛有40 mL Milli-Q水的玻璃瓶中,并加入200 μL 25%鹽酸進(jìn)行固定,將其放置在0~4 ℃的暗處保存,回到陸上實(shí)驗(yàn)室后立即進(jìn)行測(cè)定。Chla粒徑分級(jí)樣品與之相似,將300 mL海水樣品依次通過(guò)上述4種孔徑濾膜進(jìn)行抽濾(壓力低于15 kPa),各濾膜對(duì)折置于錫紙內(nèi)并低溫保存。
DMSO的測(cè)定:定量移取1 mL海水樣品至避光的樣品瓶中,并用附有聚四氟乙烯膜的鋁蓋密封,用高純氮?dú)獯祾?0 min后向內(nèi)加入200 μL 20%的TiCl3溶液,并置于55 ℃水浴中恒溫反應(yīng)1 h,待其冷卻至室溫后,測(cè)定還原產(chǎn)生的DMS量,DMS的測(cè)定方法參照楊桂朋等的報(bào)道[16],按1∶1計(jì)量關(guān)系計(jì)算出DMSO的濃度。由于TiCl3溶液中含有HCl,可能會(huì)對(duì)最終的色譜峰產(chǎn)生影響[17],因此,在Nafion干燥器和捕集管之間放置一段裝有K2CO3粉末的聚四氟乙烯管,以此消除HCl的干擾。該測(cè)定方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差< 5%,最低檢出限為1 pmol DMSO。
Chla的測(cè)定:取300 mL海水樣品,使用直徑為47 mm的Whatman GF/F玻璃纖維濾膜進(jìn)行抽濾,為了防止細(xì)胞破裂,從而影響測(cè)定結(jié)果,壓力不應(yīng)大于15 kPa,用錫紙包裹濾膜,并冷凍保存?;氐綄?shí)驗(yàn)室后,將濾膜置于10 mL 90%(體積份數(shù))的丙酮溶液中低溫萃取,24 h后離心10 min(轉(zhuǎn)速為4 000 r·min-1),取上清液用F-4500熒光儀(日本日立)采用熒光分光光度法[18]測(cè)定Chla含量。
秋季和夏初東海表層海水溫度、鹽度、Chla、DMSOd和DMSOp的水平分布如圖2、圖3所示。秋季調(diào)查海域內(nèi)溫度和鹽度的變化范圍分別為20.54~25.25 ℃和29.07~34.45,平均值分別為23.30 ℃和33.62。夏初東海表層海水溫度介于21.13~25.94 ℃之間,平均值為23.23 ℃;鹽度介于29.73~34.27之間,平均值為32.34。由于受到長(zhǎng)江沖淡水、東海沿岸流和臺(tái)灣暖流的影響,兩季節(jié)溫度、鹽度基本上呈現(xiàn)西北低、東南高,近岸低、遠(yuǎn)海高的分布趨勢(shì)。夏初長(zhǎng)江處于豐水期,長(zhǎng)江沖淡水對(duì)調(diào)查海域的影響比秋季明顯,更多低溫低鹽的淡水流入東海,而且秋季航次高溫高鹽的外海調(diào)查站位數(shù)量多于夏初季節(jié),這導(dǎo)致了秋季航次的溫度鹽度反而略高于夏初季節(jié)。秋季和夏初東海表層海水中Chla濃度變化范圍分別為(0.10~3.30)和(0.03~10.03) μg·L-1,平均值分別為(0.69±0.59)和(1.15±2.21) μg·L-1。本研究Chla濃度與Yang等[19](0.13~3.66 μg·L-1)和Zhang等[20](0.06~8.13 μg·L-1)對(duì)相同季節(jié)、相同海域的研究結(jié)果相近。兩季節(jié)Chla的分布規(guī)律不盡相同,但整體來(lái)說(shuō)Chla的濃度都是從營(yíng)養(yǎng)鹽豐富的近岸海域到外海逐漸減小。秋季Chla最高濃度出現(xiàn)在杭州灣東邊的DH1-1站位,這主要是由于東海沿岸流在秋季向南流,能夠?qū)㈤L(zhǎng)江沖淡水中含量較高的營(yíng)養(yǎng)鹽攜帶至該海域,進(jìn)而有利于浮游植物的生長(zhǎng)[21]。夏初Chla的最高值出現(xiàn)在調(diào)查海域西南部的DH6-1站位,此處位于浙閩沿岸流與臺(tái)灣暖流交匯的海區(qū),而且毗鄰浙江省的南麂島[22],受人為活動(dòng)影響較大,由于溫度、鹽度適宜,營(yíng)養(yǎng)鹽豐富,使此海域生產(chǎn)力水平較高。此外,位于浙江臺(tái)州灣附近的DH4-1站位附近,Chla的濃度也較高。
秋季東海海域表層海水中DMSOd和DMSOp的濃度范圍分別為(2.23~28.64)和(1.18~20.49) nmol·L-1,平均值分別為(10.52±7.16)和(8.99±6.34) nmol·L-1。夏初該海域表層海水中DMSOd和DMSOp的濃度范圍分別為(2.31~35.13)和(2.22~40.94) nmol·L-1,平均值分別為(17.51±9.90)和(16.96±10.73) nmol·L-1。秋季航次中,DMSOd和DMSOp的分布規(guī)律并不一致,DMSOd的高值區(qū)主要出現(xiàn)在調(diào)查海區(qū)西北部和臺(tái)灣東北部海域,這兩處Chla濃度也較高,這表明浮游植物生產(chǎn)對(duì)該海域DMSOd的分布產(chǎn)生了重要影響。然而,DMSOd濃度最高值卻出現(xiàn)在Chla濃度(0.43 μg·L-1)并不太高的DH3-3站位處,該站位的DMS(6.15 nmol·L-1)和溶解有機(jī)碳(Dissolved organic carbon,DOC)(10.70 mg·L-1)濃度都相對(duì)較高,DMS的光化學(xué)氧化可能是出現(xiàn)DMSOd濃度最大值的原因。Hatton[23]發(fā)現(xiàn)在DOC濃度高于0.90 mg·L-1時(shí),海水中高達(dá)99%的DMS會(huì)在UVA可見(jiàn)光下被氧化成DMSO,表層海水中DOC濃度越高,DMS的光化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)也越大,從而導(dǎo)致通過(guò)DMS氧化生成的DMSOd濃度也越高。DMSOp的高值區(qū)主要出現(xiàn)在溫度和鹽度較高的東南部外海海域,雖然DMSOp主要由浮游植物產(chǎn)生,但不同浮游植物生產(chǎn)DMSOp的能力不同,高溫高鹽的外海海域可能更適合DMSOp高產(chǎn)種的生長(zhǎng),因此即使Chla相對(duì)較低,DMSOp也在該處出現(xiàn)了最大值,Yang等[24]也發(fā)現(xiàn)DMSOp的高值區(qū)出現(xiàn)在外海海域。夏初DMSOd和DMSOp的分布規(guī)律與Chla相似,濃度由近岸向外海逐漸降低,此外,相關(guān)性結(jié)果表明夏初季節(jié)DMSOd與Chla(r=0.516,p<0.05)之間存在一定相關(guān)性。近岸較高的初級(jí)生產(chǎn)力和浮游植物生物量使得DMSOd和DMSOp在此區(qū)域出現(xiàn)最大值。此外,近岸DMSOd高值區(qū)也可能與陸源輸入有關(guān),DMSO在工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛作為防腐劑、潤(rùn)滑劑等使用[25],因此,河流輸入可攜帶人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的DMSOd進(jìn)入海水中,從而造成近岸海域較高濃度的DMSOd。
總體上看,DMSOd和DMSOp存在明顯季節(jié)差異,夏初DMSO的濃度高于秋季,可能是由于夏初陸源和河流輸入帶來(lái)了更為豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽,較高的生產(chǎn)力使浮游植物合成更多的DMSO。之前的研究也發(fā)現(xiàn)夏季DMSOd和DMSOp濃度高于秋季[11,26]。此外,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、光照周期、細(xì)菌活動(dòng)和海水季節(jié)性環(huán)流等因素也可能對(duì)DMSO濃度的季節(jié)性變化產(chǎn)生重要影響。例如,夏初光照強(qiáng)度和光照周期與秋季相比都較高,因此DMS的光化學(xué)氧化作用在夏初更加顯著;夏初較高的細(xì)菌活性也會(huì)使得更多的DMS通過(guò)細(xì)菌氧化過(guò)程轉(zhuǎn)化為DMSO。
圖2 秋季東海表層海水中溫度(℃)、鹽度、Chl a(μg·L-1)、DMSOd和DMSOp(nmol·L-1)的水平分布
圖3 夏初東海表層海水中溫度(℃)、鹽度、Chl a(μg·L-1)、DMSOd和DMSOp(nmol·L-1)的水平分布
為了探究沉積物間隙水對(duì)于海水中DMSOd的貢獻(xiàn),我們?cè)谇锛竞酱芜x取了5個(gè)站位,研究了間隙水中DMSOd的分布情況。表1顯示的是底層海水中DMSOd的濃度和所取6層沉積物間隙水中DMSOd的平均濃度。通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn),沉積物間隙水中DMSOd濃度比底層海水中高出約10倍,這可能與沉積物中的浮游生物碎屑有關(guān)。真光層中的浮游植物碎屑以及被浮游動(dòng)物攝食后的糞粒等下沉至海底,DMSOp隨之轉(zhuǎn)移到沉積物中,DMSOp的分解釋放貢獻(xiàn)了間隙水中較高濃度的DMSOd。此外,同航次調(diào)查結(jié)果顯示,沉積物間隙水中DMSP濃度明顯大于底層海水中的濃度[27],而沉積物中較高濃度的DMSP可分解生成DMS,進(jìn)而被細(xì)菌氧化成為DMSOd[6]。沉積物間隙水中DMSOd濃度高于底層海水中的濃度表明,沉積物間隙水是海水中DMSOd的一個(gè)重要來(lái)源,尤其是對(duì)底層海水中的DMSOd有重要貢獻(xiàn)。
秋季東海海域DH1斷面溫度、鹽度、Chla和DMSO的垂直分布如圖4所示。秋季調(diào)查海域溫度、鹽度混合比較充分,垂直分布均勻,無(wú)分層現(xiàn)象,呈現(xiàn)出近岸高、遠(yuǎn)海低的分布規(guī)律。Chla總體也呈現(xiàn)近岸高、遠(yuǎn)海低的趨勢(shì),在垂直分布上,表層濃度高于深層,最大值出現(xiàn)在近岸DH1-1表層海水中,且在該站位附近出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。從DMSOd的垂直分布圖可以看出,DMSOd在深層海水中出現(xiàn)高值,可能與海底沉積物有關(guān),前文間隙水中DMSOd的分布也表明,沉積物是深層海水中DMSOd的一個(gè)重要來(lái)源。DMSOp最大值出現(xiàn)在DH1-1站位底層海水中,這可能是由于DH1-1站位表層海水中浮游植物生物量較高,更多的浮游植物顆粒、碎屑下沉至深層海水中發(fā)生沉積,研究期間水體處于垂直混合狀態(tài),這可能導(dǎo)致底層沉積物的再懸浮,從而促進(jìn)底層水體DMSOp的再生產(chǎn)。
表1 各站位沉積物間隙水與底層海水中DMSOd的濃度
DMSOp/Chla比值常被用來(lái)評(píng)估不同海區(qū)浮游植物生產(chǎn)DMSO的能力,該比值在一定程度上可以消除海區(qū)生物量的影響,比值的大小取決于該海域優(yōu)勢(shì)藻的種類(lèi)。在秋季,調(diào)查海域表層海水中DMSOp/Chla比值的變化范圍為2.41~49.52 mmol·g-1,平均值為(17.23±15.14)mmol·g-1,夏初東海表層海水中DMSOp/Chla比值介于2.33~181.40 mmol·g-1之間,平均值為(61.66±58.85)mmol g-1,這與2013年夏季相同海域調(diào)查結(jié)果一致(54.56 mmol·g-1)[28]。夏、秋兩航次DMSOp/Chla的高值區(qū)均出現(xiàn)在遠(yuǎn)海海域,低值區(qū)出現(xiàn)在近岸(見(jiàn)圖5),這可能是由浮游植物種類(lèi)組成的差異性所致。從近岸到遠(yuǎn)海,隨著溫度的升高和鹽度的增大,適于暖水、高鹽環(huán)境生長(zhǎng)的甲藻比例有所升高[29],而甲藻是DMSO高產(chǎn)種[26],因此遠(yuǎn)海海域DMSO生產(chǎn)能力較高。
圖4 秋季東海海域溫度(℃)、鹽度、Chl a(μg·L-1)、DMSOd和DMSOp(nmol·L-1)的垂直分布
為了進(jìn)一步探討不同粒徑浮游植物對(duì)DMSOp和Chla的貢獻(xiàn),在秋季東海航次中對(duì)二者的粒徑分布進(jìn)行了分析。本航次按照浮游植物粒徑大小可大體將其分為超微型浮游植物(0.2~2 μm)、微型浮游植物(2~20 μm)和小型浮游植物(>20 μm)三類(lèi)來(lái)研究調(diào)查海域中Chla和DMSOp的粒徑分布情況[30]。其中,微型浮游植物又可進(jìn)一步分為2~5和5~20 μm兩種粒徑。總體來(lái)說(shuō),較大微型浮游植物(5~20 μm)是秋季東海表層海水中DMSOp和Chla的主要貢獻(xiàn)者(見(jiàn)圖6),其貢獻(xiàn)率分別為50.9%和56.8%,這與Zhang等[20]的研究結(jié)果一致。然而,DMSOp和Chla的粒徑分布在近岸和遠(yuǎn)海海域有所差異。例如,在近岸的DH2-2和DH4-1站位,小型浮游植物(>20 μm)也貢獻(xiàn)了較多的DMSOp和Chla,尤其在受長(zhǎng)江沖淡水影響較大的DH2-2站位,小型浮游植物(>20 μm)成為DMSOp和Chla的主要貢獻(xiàn)者;而在遠(yuǎn)離近岸的DH3-7和DH4-8站位,超微型浮游植物(0.2~2 μm)的貢獻(xiàn)不可忽視。研究表明,浮游植物種群結(jié)構(gòu)與營(yíng)養(yǎng)鹽濃度水平和比例結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[31-32]。黃邦欽等[33]在對(duì)東海、黃海海域的研究中發(fā)現(xiàn),在營(yíng)養(yǎng)鹽水平較高的近岸海域超微型浮游植物(0.2~2 μm)對(duì)Chla的貢獻(xiàn)較小,而在低營(yíng)養(yǎng)鹽的黑潮區(qū)其對(duì)Chla的貢獻(xiàn)極為重要。此外,研究結(jié)果表明,盡管較大微型浮游植物(5~20 μm)貢獻(xiàn)了大多數(shù)的DMSOp和Chla,這一粒徑范圍內(nèi)DMSOp/Chla比值的平均值僅為18.94 mmol·g-1,這反映出秋季調(diào)查海域內(nèi)占優(yōu)勢(shì)地位的藻種是DMSO低產(chǎn)種。Yang等[19]調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,硅藻在東海浮游植物群落中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位,而硅藻已被證明為DMSO的低產(chǎn)藻種,這與本文的研究結(jié)果一致。從圖6還可以看出,在DH7-7站位,盡管較大微型浮游植物(5~20 μm)貢獻(xiàn)了大多數(shù)的Chla,小型浮游植物(>20 μm)是該站位處DMSOp的主要貢獻(xiàn)者。這可能是因?yàn)樵摵S蚴芘_(tái)灣暖流的影響,浮游植物種類(lèi)組成與其它海域有所差異導(dǎo)致[34]。
圖5 秋季(a)和夏初(b)東海海域表層海水中DMSOp/Chl a比值的水平分布
圖6 秋季東海表層海水中Chl a和DMSOp的粒徑分布
秋季和夏初航次東海海域表層海水DMSOd和DMSOp存在明顯季節(jié)差異,夏初DMSO的濃度高于秋季。此外,由于受到生產(chǎn)力水平、浮游植物種群結(jié)構(gòu)和其他環(huán)境因素的綜合影響,DMSO在兩個(gè)季節(jié)所呈現(xiàn)出的水平分布規(guī)律不一致,秋季DMSOp的高值區(qū)主要出現(xiàn)在外海海域,夏初DMSO的濃度從近岸到外海逐漸降低。沉積物間隙水中DMSOd的濃度明顯高于底層海水,說(shuō)明間隙水中DMSOd的釋放是海水中DMSO的一個(gè)重要源。兩航次DMSOp/Chla比值的高值區(qū)均出現(xiàn)在調(diào)查海域的外海站位,表明外海海域浮游植物生產(chǎn)DMSO的能力要高于近岸。此外,粒徑分析結(jié)果表明,秋季較大微型浮游植物(5~20 μm)是東海表層海水中DMSOp的主要貢獻(xiàn)者。
中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021年4期