黃渤海海水中丙烯酸的生成與降解*

劉歡歡 劉春穎 李培峰

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266100)

丙烯酸(acrylic acid, AA)分子式為 C3H4O2, 是海洋中主要含硫化合物 β-二甲基巰基丙酸內(nèi)鹽(dimethylsufoniopropionate, DMSP)的裂解產(chǎn)物之一,DMSP的另一裂解產(chǎn)物是廣受關(guān)注的痕量活性氣體二甲基硫(DMS)。DMSP通過(guò)裂解酶和去甲基化反應(yīng)兩種途徑均可產(chǎn)生丙烯酸, 并滿足生物體對(duì)碳和能量的需求(Bajt et al, 1997; 楊桂朋等, 2004)。在海洋中, 丙烯酸具有重要的生態(tài)學(xué)意義(Kiene, 1990)。研究表明,丙烯酸在棕囊藻的生長(zhǎng)過(guò)程中表現(xiàn)出抗菌性, 從而影響藻類的初級(jí)生產(chǎn)力(Sieburth, 1961; Slezak et al,1994); DMSP降解反應(yīng)是藻類被攝食時(shí)的一種激活化學(xué)防御系統(tǒng)的響應(yīng), 丙烯酸作為防御因子起主要作用,對(duì)浮游植物、浮游動(dòng)物捕食產(chǎn)生影響等(Wolfe et al,1996, 1997; 王朝暉等, 2002)。本實(shí)驗(yàn)室對(duì)中國(guó)近海海域丙烯酸的濃度分布展開(kāi)了一系列的研究工作, 并取得了一定的成果(王莉莉等, 2012; 劉春穎等, 2014)。丙烯酸可以經(jīng)過(guò)光化學(xué)氧化和微生物過(guò)程被消耗掉(Bajt et al, 1997), 但是目前未見(jiàn)有現(xiàn)場(chǎng)研究的報(bào)道。

黃海和渤海均為中國(guó)近海, 有多條河流直接或間接注入, 受到人類活動(dòng)影響較為嚴(yán)重, 陸地、海洋、大氣各種過(guò)程相互作用較為劇烈。地處中緯地帶, 具有溫帶海域的性質(zhì), 同時(shí)主要受到沿岸流和黃海暖流的影響。目前, 有關(guān)黃渤海DMSP、DMS和丙烯酸濃度分布的研究已有相關(guān)報(bào)道(焦念志等, 1999; 楊桂朋等,2007; 劉春穎等, 2014), 但該海域丙烯酸遷移轉(zhuǎn)化的有關(guān)研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)海水的觀測(cè)對(duì)該海域丙烯酸的產(chǎn)生和降解規(guī)律進(jìn)行分析, 并對(duì)其降解速率和其它環(huán)境因素對(duì)降解過(guò)程的影響進(jìn)行了初步研究, 以期對(duì)丙烯酸的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

1 材料與方法

1.1 采樣航次及站位介紹

于2013年6月搭載“東方紅2”號(hào), 在黃渤海選取F2(121.00°E, 35.00°N)、J5(123.18°E, 38.05°N)、E7(123.78°E, 34.00°N)和 P2(119.49°E, 37.97°N)站位(圖1)進(jìn)行丙烯酸的生成與降解現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

1.2 樣品的采集、保存與測(cè)定方法

DMSP降解實(shí)驗(yàn)中, 分別采取 800mL F2和 J5站位的表層海水后, 在“東方紅 2”號(hào)甲板上, 于恒溫水浴槽中水浴, 使水浴溫度與現(xiàn)場(chǎng)水溫保持一致, 并避光放置。每隔1h取樣一次, 采集DMSP和丙烯酸水樣各10mL, 連續(xù)采樣6次。DMSP水樣現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,丙烯酸水樣經(jīng)過(guò)濾冷藏保存, 帶回陸地1個(gè)月內(nèi)完成測(cè)定, 此期間丙烯酸濃度幾乎無(wú)變化(劉春穎等, 2013)。

丙烯酸的降解實(shí)驗(yàn)中, 采集 E7和 P2站位的表層水, 水樣分別用1L的錫紙包裹的玻璃瓶、1L的透光玻璃瓶和250mL的石英管盛裝。在現(xiàn)場(chǎng)海水水浴,自然光照條件下, 每隔2h采集10mL水樣, 經(jīng)過(guò)濾冷藏保存, 帶回陸地測(cè)定。

丙烯酸濃度采用高效液相色譜法測(cè)定。選用Agilent SB-AQ-C18柱(100mm×4.6mm, 填料粒徑5μm)為分離柱, 以 90%濃度為 0.35%的磷酸溶液(pH=2.0)和 10%的甲醇為流動(dòng)相, 流速為 0.5mL/min,測(cè)定時(shí)柱溫設(shè)定為 40°C, 使用紫外檢測(cè)器, 檢測(cè)波長(zhǎng)為210nm, 外標(biāo)法用L-2000高效液相色譜儀(日立公司, 日本)定量測(cè)定。方法的檢出限為0.004μmol/L,精密度為1.6%(劉春穎等, 2013)。

DMSP的測(cè)定是在 pH≥13強(qiáng)堿條件下按 1∶1的比例完全降解為DMS, 通過(guò)測(cè)定DMS含量間接得到DMSP的含量。DMS的測(cè)定過(guò)程為: 將10—20mL樣品用玻璃注射器注入氣提室, 用 40mL/min的高純氮?dú)獯祾?0min, 經(jīng)過(guò)有無(wú)水CaCl2的干燥管干燥后,經(jīng)液氮冷阱捕集一段時(shí)間后, 再換熱水浴加熱解析,最后DMS被載氣帶入GC-14B氣相色譜儀(島津公司,日本)進(jìn)行分析。所用方法和儀器的檢出限為2.7pmol(10—12mol)硫, 精密度為 5%(Yang et al, 2006)。

圖1 黃渤海采樣站位Fig.1 Sampling stations in the Yellow Sea and the Bohai Sea

圖2 南黃海F2站位DMSP和丙烯酸(AA)的濃度變化Fig.2 The concentration variations of DMSP and AA at station F2 in the South Yellow Sea

圖3 北黃海J5站DMSP和丙烯酸(AA)的濃度變化Fig.3 The concentration variations of DMSP and AA at station J5 in the North Yellow Sea

2 結(jié)果與討論

2.1 DMSP的降解實(shí)驗(yàn)

2.1.1 DMSP降解過(guò)程中 DMSP和丙烯酸的變化南黃海 F2站位 DMSP初始濃度(C0)為 0.045μmol/L,丙烯酸初始濃度為0.597μmol/L。由圖2可以看到, 在最初的 1h中, DMSP和丙烯酸分別降解為原來(lái)的0.5%和0%, 隨后丙烯酸在短暫的持衡之后迅速增多,達(dá)到一個(gè)最大值, 在 3h后濃度開(kāi)始下降直至 0; 而DMSP則在略有增多后又保持在0左右, 這可能是避光后丙烯酸在微生物的活動(dòng)下繼續(xù)降解, 迅速減少,而 DMSP降解產(chǎn)生丙烯酸使得其自身含量下降, 丙烯酸增多, 最終丙烯酸通過(guò)微生物途徑降解掉。

北黃海J5站位DMSP起始濃度為0.034μmol/L,丙烯酸起始濃度0.344μmol/L, 均低于F2站位。J5站位的降解與F2站位大致相似(圖3)。DMSP在開(kāi)始保持了一個(gè)短暫的持平, 1h后開(kāi)始降解, 至2h達(dá)到最小值0, 隨后略有增高。丙烯酸濃度在1h內(nèi)降到了原來(lái)的66.9%, 然后開(kāi)始增多, 在2h即達(dá)到最大值, 為初始濃度的 190.7%, 隨后下降, 至 3h達(dá)到最低值22.7%, 其后又有增加的趨勢(shì)。F2和J5站位的丙烯酸達(dá)到最低值和最大值的時(shí)間不相同, 雖然都在 1h內(nèi)降到最低值, 但可能由于F2站位丙烯酸和DMSP初始濃度高, 產(chǎn)生的丙烯酸在 3h才達(dá)到最大值, 而 J5站位丙烯酸在2h即達(dá)到最大值。

在南黃海和北黃海都觀測(cè)到了 DMSP的降解和丙烯酸的生成現(xiàn)象。但是由于影響 DMSP和丙烯酸的產(chǎn)生和去除途徑很多, DMSP的降解和丙烯酸的生成表現(xiàn)出復(fù)雜性。

2.1.2 DMSP的降解實(shí)驗(yàn)中表觀反應(yīng)速率的估算在DMSP的降解實(shí)驗(yàn)中, 我們估算了0—5h內(nèi)DMSP和丙烯酸的濃度變化速率, 由計(jì)算可知兩者均表現(xiàn)出降解的趨勢(shì)。表1為F2和J5站位DMSP和丙烯酸的表觀降解速率。在F2站位, DMSP和丙烯酸的表觀降解速率分別為 0.009μmol/(L·h)和 0.119μmol/(L·h),在 J5站位兩者的表觀降解速率分別為0.006μmol/(L·h)和0.010μmol/(L·h), 丙烯酸的表觀降解速率總是大于DMSP的表觀降解速率, 這可能是因?yàn)榘捣磻?yīng)中DMSP降解生成丙烯酸的酶的活性降低, 而微生物降解不受光照的影響。比較F2和J5站位發(fā)現(xiàn), 不管是DMSP還是丙烯酸, 起始濃度越高, 其表觀降解速率則越大, 這是與化學(xué)反應(yīng)濃度質(zhì)量定律一致的。

表1 黃海DMSP和丙烯酸的表觀降解速率Tab.1 The degradation rates of DMSP and AA in the Yellow Sea

F2和J5站位中DMSP的最大表觀降解速率分別為 0.045μmol/(L·h)和 0.033μmol/(L·h), 也與 DMSP 的起始濃度成正比; 而這兩個(gè)站位丙烯酸的最大表觀降解速率分別為 0.597μmol/(L·h)和 0.578μmol/(L·h),二者相差不大, 并未與丙烯酸的起始濃度表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。F2和J5站位丙烯酸的最大生成速率分別為 0.571μmol/(L·h)和 0.426μmol/(L·h), 丙烯酸起始濃度越高, 則其最大生成速率越大。

圖4 南黃海E7站位丙烯酸的濃度變化Fig.4 Variation in concentration of AA at station E7 in the South Yellow Sea

圖5 渤海P2站位丙烯酸的濃度變化Fig.5 Variation in concentration of AA at station P2 in the Bohai Sea

2.2 丙烯酸的降解實(shí)驗(yàn)

2.2.1 丙烯酸的降解實(shí)驗(yàn)中不同容器中丙烯酸的濃度變化 南黃海 E7站位丙烯酸起始濃度為0.015μmol/L。由圖4可以看到, 光照條件下丙烯酸含量迅速增加, 石英容器內(nèi)丙烯酸濃度在 2h內(nèi)達(dá)到了初始濃度的35倍左右, 之后下降, 在4h降至一個(gè)低值, 約為起始濃度的 20倍, 而此時(shí)恰好玻璃容器內(nèi)丙烯酸的含量達(dá)到最大值, 此后石英光照丙烯酸濃度回升, 在 6h達(dá)到最大值后于 8h降至 66.7%左右,而玻璃容器內(nèi)丙烯酸則直接降解, 在 8h同時(shí)達(dá)到 0左右。而黑暗條件下丙烯酸在2h降至0后逐漸增大,在8h后已達(dá)到起始濃度的9倍左右。

由圖5可以看出, 渤海P2站位石英容器內(nèi)丙烯酸的含量在初始 2h增加至起始濃度的2倍左右, 然后迅速下降, 至 4h時(shí)已基本完全降解, 這段時(shí)間的變化與南黃海E7站位一致, 不同的是之后濃度上升,至8h才達(dá)到最大值, 然后在10h下降至0, 比E7站位滯后了2h, 10h后丙烯酸濃度陡然上升, 12h已達(dá)到起始濃度的 6倍左右。玻璃容器內(nèi)丙烯酸濃度在0—4h經(jīng)歷了一個(gè)下降的過(guò)程, 濃度低至0, 在4h到10h之間變化趨勢(shì)與石英容器結(jié)果保持了一致, 同時(shí)在8h左右達(dá)到最大值, 10h之后到12h基本維持濃度為0。黑暗條件下丙烯酸濃度的變化比較復(fù)雜, 前2h下降至0左右, 隨后的8h先后兩次升降, 在4h和8h時(shí)達(dá)到極大值, 分別是起始濃度的 2倍和 4倍左右,至12h則徹底降至0。

對(duì)比南黃海和渤海的丙烯酸降解實(shí)驗(yàn), 可以發(fā)現(xiàn), 在石英容器中, 丙烯酸濃度均是連續(xù)兩次先升后降, 產(chǎn)生兩個(gè)最高濃度, 且這兩個(gè)最高濃度相差不大。而玻璃容器中, 丙烯酸的濃度均有一個(gè)維持時(shí)間為6h左右的先升后降過(guò)程, E7站位最高濃度達(dá)到了起始濃度的20倍左右, 而P2站位只有起始濃度的2倍左右。黑暗條件下丙烯酸的濃度在最初2h均下降至0左右, 2h到4h則有上升的趨勢(shì), 其后的變化無(wú)相似之處。總體來(lái)看, E7站位丙烯酸濃度變化幅度遠(yuǎn)大于 P2站位, 這可能主要是兩個(gè)站位起始濃度不同引起的, E7站位為 0.015μmol/L, 而 P2站位則高達(dá)0.085μmol/L。Bajt等(1997)研究發(fā)現(xiàn), 在同一種介質(zhì)中, 起始濃度越小, 丙烯酸的降解率和降解速率常數(shù)越大, 推測(cè)其原因?yàn)槲挥诩ぐl(fā)態(tài)的丙烯酸分子和位于基態(tài)的丙烯酸分子可以發(fā)生分子間反應(yīng), 且丙烯酸濃度越高分子間反應(yīng)越顯著。對(duì)比石英和玻璃容器的結(jié)果, 可以發(fā)現(xiàn), 石英容器中丙烯酸濃度變化更為明顯, 其原因可能是光源達(dá)到溶液表面時(shí), 石英容器對(duì)光強(qiáng)和光能損耗均小于玻璃容器, 其對(duì)光的利用率高于玻璃材質(zhì)。光強(qiáng)越大, 光能越大, 更能有效地激發(fā)并降解有機(jī)物。

2.2.2 丙烯酸的降解實(shí)驗(yàn)中表觀反應(yīng)速率的估算因丙烯酸降解實(shí)驗(yàn)中其濃度變化受到多種因素的影響, 包括了光產(chǎn)生, 光降解和微生物消耗。本文選取前4h計(jì)算其變化速率并進(jìn)行分析討論。

表2 黃渤海丙烯酸濃度變化速率Tab.2 The rate of variation in concentration of AA in the Yellow Sea and Bohai Sea

由表2可以看出, 在黑暗條件下, 0—2h丙烯酸的降解大于其生成, 表現(xiàn)為降解過(guò)程, 2—4h丙烯酸生成大于降解, 表現(xiàn)為生成過(guò)程。E7和 P2站位在0—2h 的 降 解 速 率 分 別 為 0.008μmol/(L·h)和0.043μmol/(L·h), 在后2h生成速率分別為0.040μmol/(L·h)和 0.086μmol/(L·h), 可以看到起始濃度越高, 其變化速率越大。石英容器內(nèi), 丙烯酸先為生成大于降解,后為降解大于生成, 且起始濃度越高, 變化速率越小,與黑暗反應(yīng)表現(xiàn)相反。這可能是由于光化學(xué)反應(yīng)的影響造成的, 在光照條件下, 浮游植物中酶的活性強(qiáng),DMSP生成丙烯酸的速率大, 補(bǔ)充了由于微生物活動(dòng)和光降解造成的丙烯酸的減少; 在黑暗條件下,DMSP生成丙烯酸的速率相對(duì)較弱, 而丙烯酸的降解主要依靠微生物活動(dòng), 而無(wú)光降解過(guò)程。運(yùn)用黑暗條件下和光照條件下(石英容器內(nèi))的變化速率, 我們可以計(jì)算出丙烯酸的光化學(xué)表觀反應(yīng)速率。在0—2h丙烯酸光化學(xué)表觀反應(yīng)速率為 0.267μmol/(L·h)和0.093μmol/(L·h), 在 2—4h丙烯酸的光化學(xué)表觀反應(yīng)速率為-0.16μmol/(L·h)和-0.179μmol/(L·h), 這說(shuō)明前 2h丙烯酸的光化學(xué)反應(yīng)表現(xiàn)為丙烯酸的生成, 后2h表現(xiàn)為丙烯酸的光降解。使用玻璃容器的光照條件下E7站位表現(xiàn)出丙烯酸增加的過(guò)程, 而P2站位表現(xiàn)出丙烯酸降解的過(guò)程, 兩者截然相反, 與使用石英容器的結(jié)果也不相同, 由于該過(guò)程受到的影響因素很多, 造成這種結(jié)果的原因需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語(yǔ)

研究表明, 黃渤海海水中存在著 DMSP的降解和丙烯酸的生成現(xiàn)象。在DMSP降解過(guò)程中, 丙烯酸的表觀降解速率一直大于 DMSP, 起始濃度越高, 降解速率越大。在 AA降解過(guò)程中, 前 2h表現(xiàn)為丙烯酸的光化學(xué)生成, 而后 2h表現(xiàn)為光化學(xué)降解。由于丙烯酸的生成和降解受到多種因素的影響, 故表現(xiàn)出復(fù)雜的特征。

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