秋季東海二甲基亞砜的分布與影響因素研究

高楠，張洪海，楊桂朋＊

（1.中國海洋大學 化學化工學院，山東 青島266100）

1 引言

二甲基硫（di methylsulfide，DMS）是海水中最重要的、含量最豐富的還原態(tài)揮發(fā)性生源硫化物，它可以通過海－氣交換進入大氣并對氣候和環(huán)境變化產(chǎn)生重要的影響［1］。二甲基亞砜（di methylsulfoxide，DMSO）是海水中主要的溶解態(tài)甲基硫化物之一，其既可以通過海水中DMS的光化學氧化［2］、細菌氧化［3—4］和浮游植物自身合成［5］，又可以在某些厭氧細菌的作用下被還原生成DMS［6］。因此，DMSO作為DMS的一個潛在的源與匯，在DMS的生物地球化學循環(huán)過程中起著重要作用。

目前，國際上針對 DMSO在海洋［7—9］、雨水［10］和大氣［11］中的分布以及來源途徑、影響因素等已經(jīng)開展了一系列的研究，DMS氧化生成DMSO的產(chǎn)率通過兩者的轉(zhuǎn)化模型也得到了初步估算［12］，為探討DMSO的遷移轉(zhuǎn)化及進一步對DMS生物地球化學及環(huán)境的影響提供了資料。然而，國內(nèi)有關(guān)海洋DMSO的研究工作仍處于起步階段［13—15］。此外，東海是西太平洋最大的邊緣海，受到多個洋流的相互作用［16—17］；作為赤潮高發(fā)區(qū)［18］，海水中物理條件和化學成分的變化對有機硫化物DMSO的生產(chǎn)與消耗有著重要的影響。但目前東海DMSO的研究工作仍十分有限［19］。因此本文選擇東海作為研究海域，對秋季DMSO在表層海水及PN斷面中的垂直分布規(guī)律及影響因素進行了研究，并探討了DMSO與DMS、二甲巰基丙酸內(nèi)鹽（DMSP，DMS的前體物質(zhì)）及環(huán)境因子的相互關(guān)系。此研究有助于了解中國近海DMSO的來源、分布及轉(zhuǎn)化途徑，為更加深入地認識中國海域DMS的生物地球化學循環(huán)過程提供一定的科學依據(jù)，進而發(fā)展建立生源硫的生物地球化學模型，了解天然硫排放對區(qū)域和全球環(huán)境氣候變化的影響。有0.2 mL 25%HCl的42 mL玻璃樣品瓶中，裝入濾膜的樣品瓶添加40 mL高純水，擰蓋密封，分別用來測定DMSOd及DMSOp。所有樣品0～4℃ 避光保存，待返回陸地實驗室后一個月內(nèi)完成測定?，F(xiàn)場海洋環(huán)境參數(shù)由直讀式溫鹽深儀CTD（Seabird 911 plus）在采集海水樣品時同步獲得。

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集

2010年11月16日—12月10日（秋季）隨“東方紅2”號調(diào)查船對東海進行了調(diào)查取樣（圖1），共包括49個大面站位，其中在PN斷面各站點采集分層海水以研究垂直分布特征（表1）。海水樣品用12 L Niskin Rosette采水器采集后，立即取40 mL用內(nèi)置What man GF／F玻璃纖維濾膜（直徑47 mm）的 Nalgene過濾器（美國）重力過濾，濾液和濾膜分別裝入盛

圖1 2010年秋季東海調(diào)查站位

表1 2010年秋季東海PN斷面采樣深度（m）

2.2 分析方法

（1）DMSO的分析

海水中DMSO的測定采用NaBH4還原法［20］，即將樣品中的DMSO還原為DMS進行間接測定。由于樣品中存在的原有DMS及可以被NaBH4還原的DMSP干擾，因此測定前首先加入2 mL 10 mol／L KOH堿解樣品中的DMSP為DMS，然后通過高純N2吹掃30 min除去海水樣品中自身存在及DMSP堿解生成的DMS，再進行DMSO的還原測定。處理后的樣品添加36% 的HCl調(diào)節(jié)p H為4，加入0.12 g NaBH4靜置還原15 min，然后加入1 mL 5%HCl靜置4 min，最后采用冷阱吹掃－捕集氣相色譜法測定DMS［21］，間接 獲 得 DMSO 含 量［22］。方 法 檢出 限 為2.7 p mol（10－12mol）S，對應的 DMSO為0.75 n mol（40 mL），相對標準偏差 ±5%。

（2）相關(guān)參數(shù)的分析測定

對于葉綠素a（Chl a）樣品的分析，取300 mL海水樣品經(jīng)What man GF／F玻璃纖維濾膜過濾（p≤15 k Pa），濾膜對折用錫紙包裹后冷凍保存。分析時以10 mL 90%（V／V）丙酮水溶液避光萃取濾膜上的Chl a，后采用F－4500分子熒光儀（日本日立）測定［23］。DOC測定采用高溫催化氧化法，所用儀器為島津TOC－VCPH型總有機碳分析儀［24］。總細菌豐度分析采用DAPI熒光染色計數(shù)法［25］。海水樣品經(jīng)過0.2μm的黑色核孔濾膜過濾后，用DAPI染色5～10 min，在全自動熒光顯微鏡（CTR 5000，德國徠卡）下計算細菌豐度。

3 結(jié)果與討論

3.1 DMSOd與DMSOp濃度的水平分布

秋季東海表層海水Chl a的濃度變化范圍較大（0.07～8.59μg／L），平均值為（0.69±0.48）μg／L。PN09站位出現(xiàn)Chl a濃度最大值，可能是調(diào)查期間附近海域發(fā)生藻類的“水華”，導致了Chl a濃度高值（圖2a）。此外，長江口附近海域也出現(xiàn)Chl a濃度高值區(qū)，濃度水平均在1.00μg／L以上，這主要是由于長江口附近海域受人為活動影響嚴重，生產(chǎn)力水平較高，浮游植物生長旺盛所致。

圖2 東海表層海水中Chl a濃度（a）、DMSOp濃度（b）和DMSOd濃度（c）的水平分布

調(diào)查海域DMSOp的濃度范圍介于2.49～85.5 nmol／L之間，平均值為（17.2±1.40）nmol／L，與2009年冬季（12月）基本相當［19］。水平分布上，DMSOp濃度呈現(xiàn)近岸高、遠海低的趨勢，可能受到人為活動的影響。由圖2b可以看出，DMSOp高值區(qū)出現(xiàn)在長江口和東海西南部海域，與Chl a的高值分布相吻合，說明該海域表層海水中較高的DMSOp濃度部分來源于浮游植物的直接生產(chǎn)貢獻［26—28］。

DMSOd的濃度范圍（圖2c）與DMSOp基本相當，介于2.27～86.6 nmol／L之間，平均值為（15.3±1.29）nmol／L，與2009年冬季測定結(jié)果相差較大，可能與高值區(qū)（長江口）高濃度的DOC有關(guān)［19］；此外，秋季長江沖淡水的影響可能也是造成濃度低于冬季的原因。濃度最低值出現(xiàn)在東海北部海域DH01站位，而高值區(qū)主要分布在DH25站位所在的27°30′～30°30′N、124°E以西的上升流海域［29］。另外，與DMSOp不同，研究海域內(nèi)DMSOd沒有表現(xiàn)由近岸向遠海明顯降低的分布趨勢，表明DMSOd濃度受人為活動的影響相對較小。

3.2 PN斷面DMSOp與DMSOd濃度的垂直分布

東海PN斷面與黑潮主軸垂直，同時還會受到臺灣暖流、長江沖淡水和陸架混合水的影響，使得該斷面各要素分布較為復雜［30］。該斷面上Chl a、DMSOd及DMSOp濃度的垂直分布如圖3所示。Chl a在垂直分布上整體濃度變化較小，然而在相同深度下，出現(xiàn)“水華”的PN09和PN08站位Chl a值明顯高于其他站位，低值區(qū)主要出現(xiàn)在遠海站位的100 m水深以下。

垂直分布中DMSOp濃度整體變化不明顯，最高值出現(xiàn)在近岸站位PN10的最底層，達到34.0 nmol／L，與2009年冬季相同海域的調(diào)查數(shù)據(jù)相比，最高值雖然出現(xiàn)在不同站位，但呈現(xiàn)了相似的分布趨勢［19］。由于海水樣品中DMSOp大部分都是在直徑大于5μm的顆粒物中檢出的［5］，除了浮游植物藻細胞內(nèi)，DMSO也存在于碎屑以及糞粒等沉積物中，從而通過懸浮進入底層海水，導致DMSOp濃度在底層出現(xiàn)高值。

由圖3可以看出，DMSOd濃度隨深度的增加而降低，與楊潔［22］的研究結(jié)果相一致。由于DMSOd是DMS細菌氧化和光化學氧化的重要產(chǎn)物，通常在表層濃度較高，并隨著深度增加有減小的趨勢［31］。同航次中DMS也被觀測到在表層具有較高的濃度（PN斷面表層最高值為5.95 nmol／L），它可能是表層海水中DMSOd濃度較高的重要原因。此外，遠海PN03b站位最底層200 m處出現(xiàn)的DMSOd濃度高值，可能是由于站位底層較高的DMSOp濃度引起的，因為DMSOp可以通過滲透到細胞外進入海水成為DMSOd。

3.3 DMSO與環(huán)境因素相關(guān)性分析

3.3.1 DMSOp與環(huán)境因素相關(guān)性分析

海水中DMSOp可以由浮游植物直接產(chǎn)生，Chl a作為衡量海區(qū)內(nèi)浮游植物生物量的重要指標，二者之間的相互關(guān)系是人們關(guān)心的熱點問題。2010年夏季長江口附近海域DMSOp與Chl a沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)性，而秋季則有很好的相關(guān)性［22］；此外，Si mó和 Vila－Costa［7］對多個海域中DMSOp和Chl a的數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，并沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)性存在；而北極巴芬灣（Arctic Bffin Bay）中DMSOp卻與Chl a線性相關(guān)［26］。將本航次秋季東海表層海水DMSOp與Chl a濃度進行線性擬合（表2），也未發(fā)現(xiàn)兩者的相關(guān)性。得出以上不同結(jié)論的原因可能在于不同海區(qū)或同一海區(qū)不同季節(jié)浮游植物組成及豐度存在明顯差異［32］，而且不同藻種合成DMSO和生產(chǎn)Chl a的能力也存在很大不同［33］，從而難以從大的時空尺度發(fā)現(xiàn)DMSOp與Chl a相關(guān)性的一致規(guī)律。

DMSOp／Chl a比值常被用來估算浮游植物生物量生產(chǎn)DMSO的能力，不同海區(qū)該比值的大小主要取決于海區(qū)內(nèi)占優(yōu)勢藻類對DMSO的貢獻。秋季表層海水中DMSOp／Chl a比值為（23.3±1.29）mmol／g，低于同年夏季長江口附近海域的調(diào)查結(jié)果［22］，表明秋季東海海域優(yōu)勢藻種生產(chǎn)DMSO能力弱于夏季，可能與秋季浮游植物群落以硅藻（DMSO的低產(chǎn)藻種）為主有關(guān)［32］。此外，DMSO分子結(jié)構(gòu)類似于季銨類化合物氧化三甲胺（T MAO），在藻細胞內(nèi)被認為具有滲透壓調(diào)節(jié)功能［34－35］。研究發(fā)現(xiàn)DMSOp／Chl a比值與鹽度具有一定的正相關(guān)（n＝40；r＝0.515；p＜0.001），表明鹽度的變化會影響藻細胞中DMSO向體外的滲透，進而對細胞內(nèi)滲透壓起到調(diào)節(jié)作用。此外，DMSOp與顆粒態(tài)DMSPp濃度存在一定的相關(guān)性（n＝33；r＝0.386；p＝0.015），進一步說明DMSOp與DMSPp有著共同的來源，即生物體的自身合成，并且兩者可能具有相似的生理功能。

DMSOp與鹽度沒有明顯相關(guān)性，產(chǎn)生這種差別的原因主要是因為不同站位鹽度不同，造成浮游植物組成及生物量的差異，鹽度引起的細胞內(nèi)DMSO的改變及藻種的變化是兩個不同的過程，因而對DMSOp的生產(chǎn)帶來的影響可能無法通過簡單相關(guān)性關(guān)系解釋。海水溫度反應了海水受太陽光輻射的強度［7］，DMSO作為細胞內(nèi)抗氧化系統(tǒng)的一部分，葉綠體光化學合成副產(chǎn)物活性氧自由基會參與反應，但在增加抗氧化活性時是促進DMS向DMSO轉(zhuǎn)化或DMSO向甲基磺酸鹽（MSA）轉(zhuǎn)化［36］仍不確定，可能是造成溫度與DMSO沒有明顯相關(guān)性的主要原因。

表2 東海表層海水中DMSOp與Chl a、DMSPp、溫度、鹽度以及DMSOp／Chl a與溫度、鹽度之間的相互關(guān)系

3.3.2 DMSOd與環(huán)境因素相關(guān)性分析

海洋環(huán)境中DMSOd的來源主要有3條途徑：DMS的光化學氧化和微生物氧化以及細胞內(nèi)DMSO的釋放［37］。本文中將DMSOd濃度分別與DMS、DMSOp進行線性擬合（見表3），發(fā)現(xiàn)DMSOd的濃度與DMS有一定的正相關(guān)性（n＝35；r＝0.444；p＝0.004），說明DMS的兩種氧化途徑可能是影響東海海域DMSOd來源與分布的重要因素。

圖3 東海PN斷面Chl a濃度（a）、DMSOp濃度（b）和DMSOd濃度（c）垂直分布

此外，DMS的光化學氧化速率受到溶解有機碳（DOC）、溫度和水深等因素的影響［38－39］，而 DMS的微生物氧化速率可以通過總細菌豐度來進行初步評價。因此，本文中我們對DMSOd與海區(qū)內(nèi)的海水溫度、DOC、總細菌豐度以及NO－3進行相關(guān)性分析（見表3），僅發(fā)現(xiàn)DMSOd與溫度（n＝43；r＝0.460；p＝0.001）具有一定的相關(guān)性，原因可能是DMS的光化學氧化速率常數(shù)隨溫度的升高呈指數(shù)增加［39］，從而貢獻較高的DMSOd濃度。

DMS的光化學反應可以發(fā)生在UV及可見光區(qū)，但DMSO并不是DMS光化學反應的唯一產(chǎn)物，反應會受到光強度、DOC、DMS濃度等多因素影響。Hatton［40］認為在 DOC濃度為0.9 mg／d m3的情況下，UVA／可見光區(qū)中有99%的DMS轉(zhuǎn)化為DMSO，因此DOC是DMSOd光化學生成的一個重要條件。Bouillon和Miller［41］認為DMS的表觀量子系數(shù)會受到NO－3濃度影響，因此無法通過DMS與DOC或NO－3單一的相關(guān)性關(guān)系判斷各環(huán)境因素對DMS光化學反應的影響。另外，不同細菌對DMS的氧化降解也不盡相同，無氧及有氧條件下細菌均可消耗DMS，DMS被利用目的不同，產(chǎn)物也隨之不同，而且只有特定的細菌種群氧化DMS生成DMSO［3］，從而導致難以獲得DMSOd與總細菌豐度的相關(guān)關(guān)系。

表3 東海表層海水中DMSOd與DMS、DMSOp、溫度、DOC、總細菌豐度、NO－3之間的相互關(guān)系

4 結(jié)論

（1）秋季東海表層海水中DMSOp與DMSOd濃度相接近，但二者水平分布有一定差異。DMSOp分布與Chl a相類似，呈現(xiàn)由近岸到遠海逐漸降低的趨勢，濃度高值出現(xiàn)在長江口及東海西南部海域，DMSOd高值區(qū)則主要集中在東海西南部上升流附近海域。

（2）PN斷面垂直分布上，DMSOp濃度變化較小，在近岸底層出現(xiàn)高值；DMSOd濃度在表層出現(xiàn)高值，隨深度增加逐漸降低。

（3）東海表層海水中DMSOp與DMSPp以及DMSOp／Chl a比值與鹽度分別存在一定的相關(guān)性，說明藻細胞中DMSOp與DMSPp功能相似，都具有一定的滲透壓調(diào)節(jié)功能。

（4）秋季東海DMSOd與DMS表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系，說明秋季DMS氧化也是表層海水DMSOd的一個重要來源途徑。

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