九龍江口水體堿性磷酸酶活性及其對磷循環(huán)的影響

李 明，陳 露，歐光南，黃水英，何碧煙

(1.集美大學(xué)海洋食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.集美大學(xué)港口與海岸工程學(xué)院，福建 廈門 361021；3.福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361102；4.廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，福建 廈門 361102)

0 引言

自然水體中的磷循環(huán)深受研究者關(guān)注，因?yàn)榱资撬猩镞M(jìn)行能量傳輸和生長所必需的營養(yǎng)元素，但是磷營養(yǎng)的過剩也會(huì)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡。水體中磷的存在形態(tài)包括顆粒態(tài)總磷(particulate total phosphorus，PTP)和溶解態(tài)總磷(dissolved total phosphorus，DTP)。PTP主要來源于外源輸入[1]，DTP主要來源于外源輸入和內(nèi)源釋放，可細(xì)分為DOP和DIP。長期以來，對河口、近岸水體磷循環(huán)的研究主要集中在磷的源-匯平衡[2]以及物理化學(xué)過程對不同形態(tài)的磷之間分布的影響，包括顆粒物對磷酸鹽的吸附-解吸[3]、金屬氫氧化物還原過程中磷酸鹽的釋放[4]以及沉積物-水界面磷酸鹽的擴(kuò)散和通量等[5-6]。相對而言，對DOP的生物有效性及其在河口、近岸系統(tǒng)中的循環(huán)研究仍然較少[7]。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

搭乘廈門大學(xué)科考船“海洋2號(hào)”，分別于2018年11月(秋季)和2019年2月(冬季)對九龍江口水域進(jìn)行了2個(gè)航次的調(diào)查，沿著鹽度梯度設(shè)置10個(gè)站位(見圖1)采集水樣，選擇代表性站位A5、A6、A7、A8采集表層(距水面0.5 m)和底層(距水底0.5 m)水樣，其余站位只采集表層水樣。水樣使用5 L Niskin采水器采集，裝于塑料采樣瓶中(瓶子經(jīng)稀鹽酸浸泡過夜，然后用超純水淋洗到中性，之后于50 ℃烘干)，置于4 ℃冷藏，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后馬上進(jìn)行后續(xù)處理。溫度(T)通過 SBE-917 自容式CTD 在原位測定，鹽度(S)采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀 (WTW Multi 340i/SET)現(xiàn)場測定。用于溶解態(tài)APA測定的水樣經(jīng)0.45 μm醋酸纖維素濾膜過濾后冷藏，一周內(nèi)完成分析。DOP和DIP測定所用的水樣經(jīng)0.45 μm醋酸纖維素濾膜過濾后，濾液在-20 ℃冷凍保存，一個(gè)月內(nèi)完成測定。

1.2 樣品測定

1.2.1 DAPA、PAPA和TAPA的測定

TAPA采用Kwon等[25]的分光光度法進(jìn)行測定，過程如下：取20 mL未經(jīng)過濾的海水，加入1 mL 1 mol/L Tris-HCl緩沖溶液和0.5 mL 10 mmol/L磷酸苯二鈉溶液，置于37 ℃水浴反應(yīng)6 h。再加入1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%安替吡啉溶液和1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%鐵氰化鉀溶液，繼續(xù)反應(yīng)15 min，定容至25 mL，離心分離，上清液在510 nm處測定從磷酸苯二鈉水解釋放的苯酚含量，以單位時(shí)間單位體積內(nèi)苯酚的產(chǎn)量作為評定APA的指標(biāo)，從而計(jì)算得出酶的活性。DAPA用經(jīng)過0.45 μm的濾膜過濾的濾液，采用同樣的方法進(jìn)行測定。PAPA通過TAPA減去DAPA求得。

1.2.2 DTP和DIP的測定

1)DTP的測定 采用過硫酸鉀加熱消解，把有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，所生成的磷酸鹽濃度采用鉬酸銨分光光度法測定[26]。基本步驟如下：水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，取25 mL濾液加入350 μL 50 g/L的過硫酸鉀溶液，在95 ℃水浴鍋中恒溫消解3 h，取出水樣冷卻至室溫，再依次加入0.5 mL 100 g/L的抗壞血酸溶液和0.5 mL鉬酸銨混合液，振蕩均勻，測得的是DTP。

2)DIP的測定 取25 mL濾液，未經(jīng)消解直接測定，測得的是DIP。

DOP由DTP減去DIP得出。每一個(gè)樣品重復(fù)3次，取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件中斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分析APA與各環(huán)境參數(shù)之間的相關(guān)性。使用Excel 2007中的單因素方差分析法比較秋季和冬季各組參數(shù)測定值之間的差異，采用F檢驗(yàn)的方法判斷兩者的差異性程度。

2 結(jié)果

2.1 水環(huán)境參數(shù)的變化

航次調(diào)查期間九龍江口的水環(huán)境參數(shù)見表1。根據(jù)九龍江多年平均徑流量數(shù)據(jù)[27]，11月和2月的月平均徑流量分別為176.8 m3/s和183.6 m3/s，二者相差不大，同處枯水期。2018 年11月(秋季)和2019年2月(冬季)航次調(diào)查期間，九龍江口水體的鹽度變化范圍分別為 0～30.2和0.1～27.0。河口上游，2個(gè)季節(jié)的鹽度差別不大；河口下游，秋季鹽度高于冬季，2個(gè)季節(jié)的鹽度差異主要是受潮汐影響。秋季和冬季的水溫變化范圍分別為20.5～21.8 ℃和16.9～18.8 ℃，秋季溫度明顯高于冬季。秋季和冬季的Chl-a質(zhì)量濃度變化范圍分別為1.5～11.5 mg/m3和2.4～6.7 mg/m3，除了A5站底層Chl-a濃度秋季明顯高于冬季外，其余站位2個(gè)季節(jié)差別不顯著。秋季和冬季的SPM變化范圍分別為21.7～636.7 mg/L和17.4～68.7 mg/L，秋季顯著高于冬季，這可能是因?yàn)榍锛静蓸悠陂g是大潮，強(qiáng)烈的潮汐作用導(dǎo)致沉積物再懸浮，使得秋季SPM顯著高于冬季。

表1 航次調(diào)查期間九龍江口水體溫度、鹽度、SPM、Chl-a、細(xì)菌豐度和徑流量的變化范圍Tab.1 Range of temperature,salinity,SPM,Chl-a,bacterial abundance and river discharges in the Jiulong River Estuary during the cruises

2.2 磷濃度的時(shí)空分布

九龍江口表層水體DTP、DIP和DOP濃度變化如圖2所示。由圖2可見：秋季 DTP的濃度范圍介于1.34～3.21 μmol/L，平均值為(2.16±0.57)μmol/L，其濃度沿河口下游方向先升高，在A4站濃度達(dá)到峰值，之后濃度逐漸下降，到河口下游的JY2站濃度降至最低值；冬季DTP的濃度范圍介于1.17～4.01 μmol/L，平均值為(2.61±0.96)μmol/L，略高于秋季，但DTP濃度的分布特征與秋季基本一致。九龍江口秋季和冬季DTP的主要成分都是DIP，秋季DIP平均占DTP的(89.6±2.7)%，冬季占(77.3±7.3)%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DOP的含量(秋季為(10.4±2.6)%，冬季為(22.7±7.3)%)。DIP的濃度范圍秋季在1.19～3.04 μmol/L，冬季在1.12～2.95 μmol/L，明顯高于陳水土等[19]在該區(qū)域的測定值，但與顏秀利等[18]報(bào)道的數(shù)值相近，說明九龍江口DIP的濃度比30年前有顯著的升高。DOP的濃度比DIP低得多，其濃度范圍秋季為0.15～0.30 μmol/L，冬季為0.05～1.06 μmol/L，與30年前的測定值相比變化不明顯[19]。

2.3 APA的時(shí)空分布

九龍江口表層水體TAPA的空間變化顯著(見圖3)，整體上呈現(xiàn)河口上游高、下游低的變化趨勢。秋季TAPA在85.5～755.4 nmol/(L·h)，最高值出現(xiàn)在河口上游的A5站，最低值出現(xiàn)在河口中游的A9站，在河口下游的JY1站有所升高。冬季TAPA在7.5～639.8 nmol/(L·h)，其分布模式與秋季基本相似，最高值也出現(xiàn)在A5站，最低值出現(xiàn)在河口下游的JY2站。從垂直分布(見圖4)來看，秋季除了A6站底層TAPA(876.5 nmol/(L·h))明顯高于表層(261.3 nmol/(L·h))外，其余站位相差不明顯；冬季4個(gè)站位表層TAPA均略高于底層，但總體上差異不顯著(P>0.05)。從季節(jié)變化看，秋季TAPA平均值為(339±242)nmol/(L·h)，冬季平均值為(259±194)nmol/(L·h)，秋季整體高于冬季，但差異不顯著(P>0.05)。

為了解AP的來源，分別測定了顆粒態(tài)(>0.45 μm)和溶解態(tài)(<0.45 μm)APA，結(jié)果見圖5。由圖5可見，秋季九龍江口水體中AP主要以顆粒態(tài)存在，PAPA對TAPA的貢獻(xiàn)率最小值為70.1%，最大值達(dá)到97.3%，平均為(84.9±9.5)%。冬季情況比較特殊，在河口的上游以PAPA為主，而在河口中下游則以DAPA為主，冬季整個(gè)河口PAPA的平均貢獻(xiàn)率為(54.1±26.4)%，DAPA的平均貢獻(xiàn)率為(45.9±26.4)%。秋季PAPA對TAPA的貢獻(xiàn)明顯高于冬季，可能主要是因?yàn)榍锛揪琵埥趹腋☆w粒物SPM的濃度顯著高于冬季，且細(xì)菌豐度也顯著高于冬季(見表1)，使得附著在顆粒物上的細(xì)菌對TAPA的貢獻(xiàn)明顯高于冬季。

2.4 APA與環(huán)境因子的相關(guān)性

DAPA、PAPA與各環(huán)境因子間的斯皮爾曼相關(guān)性結(jié)果見表2。由表2可見，DAPA與DOP、DIP呈極顯著正相關(guān)，與鹽度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Chl-a正相關(guān)但不顯著，與SPM不相關(guān)；PAPA與DIP、SPM呈顯著正相關(guān)，與鹽度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Chl-a正相關(guān)但不顯著，與DOP不相關(guān)。綜上分析，DAPA和PAPA都與DIP呈極顯著正相關(guān)，可見DIP濃度升高并沒有抑制AP的合成。相反，由于DIP濃度升高刺激藻類和細(xì)菌的生長繁殖，反而導(dǎo)致合成更多的AP。由此可見，環(huán)境因子對DAPA、PAPA的影響不盡相同。如前所述，由細(xì)菌和藻類分泌的堿性磷酸酶有2種形式：一種是外向酶，它是一種與細(xì)胞膜結(jié)合的酶，即與酶的生產(chǎn)者保持緊密聯(lián)系[9]，常以顆粒態(tài)存在；另一種是釋放到周圍環(huán)境中胞外酶，它主要以溶解態(tài)存在?？梢姡琍APA主要反映的是外向酶的活性(雖然顆粒物的表面也可能吸附溶解態(tài)的酶)，因此與顆粒物SPM關(guān)系緊密。

表2 九龍江口PAPA、DAPA與環(huán)境參數(shù)的斯皮爾曼相關(guān)性Tab.2 Spearman correlation coefficient of PAPA and DAPA with environmental parameters in the Jiulong River Estuary

3 討論

3.1 九龍江口AP的來源

Bogé等[30]在研究水體中的磷對AP分泌的調(diào)控作用中指出，僅憑DIP的濃度高低來判斷抑制或促進(jìn)AP分泌過于籠統(tǒng)，還應(yīng)考慮水體中DOP濃度的影響。越來越多的研究表明[31-33]，APA不僅與磷營養(yǎng)水平有關(guān)，還與有機(jī)碳、氮的供給有關(guān)，并受氮磷比值(N/P)的控制，在高N/P比值的水體中往往觀測到相應(yīng)高的APA。此外，一系列的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)也證明，添加無機(jī)氮和有機(jī)氮能顯著影響細(xì)菌APA活性和DOP的降解[32]。九龍江口上游溶解無機(jī)氮濃度很高，枯水期其濃度超過300 μmol/L，且DIN/DIP比值高達(dá)100～150[18]，水體處于富營養(yǎng)水平，磷在富營養(yǎng)化水體中處于快速產(chǎn)生和快速消耗的循環(huán)狀態(tài)，需要大量的AP促進(jìn)磷循環(huán)，這可能是導(dǎo)致九龍江口上游DAPA和PAPA異常高的原因。另外，九龍江口上游水體有機(jī)物含量高[34]，為細(xì)菌提供了豐富的碳源，從而促進(jìn)了細(xì)菌分泌更多的AP來降解利用有機(jī)物。可見，在富營養(yǎng)水平的河口，底物DOP對AP的誘導(dǎo)作用比產(chǎn)物DIP的抑制作用可能更為重要。

由九龍江口APA與環(huán)境因子的相關(guān)性分析(見表2)還可以看出，PAPA與Chl-a呈不顯著正相關(guān)(r=0.284,P>0.05)，與SPM呈極顯著正相關(guān)(r=0.507,P<0.01)。說明，與浮游植物相比，附著在顆粒物上的微生物可能是PAPA更重要的貢獻(xiàn)者，這一推論可以從九龍江口相對較高的細(xì)菌豐度得到印證[28]。

3.2 AP與磷循環(huán)的關(guān)系

以前的研究普遍認(rèn)為，河口磷的遷移轉(zhuǎn)化主要受控于懸浮/沉降顆粒物的吸附-解析過程，因此相關(guān)的研究也主要集中在礦物顆粒對DIP的吸附-解吸作用以及金屬氫氧化物還原過程中DIP的釋放[2-3,35]，而微生物礦化有機(jī)磷對河口DIP再生的潛在貢獻(xiàn)長期以來都沒有受到足夠的重視[9]。從DIP的分布(見圖2)可以看出，在九龍江口上游的A4～A5站存在DIP的明顯添加，顏秀利等[18]也曾報(bào)道九龍江口活性磷(即本文中的DIP)在中低鹽度區(qū)存在明顯的添加，并利用物質(zhì)收支模型估算出九龍江口DIP的添加量約占河流輸入總量的30%。河口DIP的添加可能受多種過程調(diào)控。首先，從河流到河口，隨著水體離子強(qiáng)度不斷增大，吸附在淡水顆粒物上的無機(jī)磷在淡水和海水的混合邊界不斷被解吸出來。文獻(xiàn)報(bào)道[3，36]，在吉倫德河口和塞納河口，這一過程主要發(fā)生在鹽度為5～15區(qū)域。然而，在九龍江口，SPM與DIP并沒有相關(guān)性(見表2)，這表明顆粒磷的解吸可能不是九龍江口DIP添加的主要過程。其次，由潮汐和河流徑流驅(qū)動(dòng)的沉積物的再懸浮也可能刺激顆粒態(tài)磷的吸附-解吸過程，并可能誘導(dǎo)附著在懸浮沉積物上的細(xì)菌增強(qiáng)AP的合成[37]。此外，九龍江口DIP與DAPA呈現(xiàn)極顯著(P<0.01)的正相關(guān)關(guān)系(見表2)，說明微生物通過AP催化DOP礦化，可能對九龍江口DIP的添加有重要貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

1)九龍江口TAPA的空間分布特征表現(xiàn)為河口上游淡水端高，河口下游海水端低，表層水體略高于底層水體。TAPA季節(jié)變化規(guī)律表現(xiàn)為秋季高于冬季。

2)秋季AP主要以顆粒態(tài)存在，PAPA對TAPA的貢獻(xiàn)占絕對優(yōu)勢，冬季溶解態(tài)AP和顆粒態(tài)AP共存，PAPA和DAPA對TAPA的貢獻(xiàn)率相當(dāng)。

3)溶解態(tài)AP主要受DOP誘導(dǎo)而產(chǎn)生，并受河-海水混合影響，顆粒態(tài)AP除了來自浮游植物外，附著在顆粒物上的細(xì)菌可能是更重要的來源。

4)在DIP濃度顯著高于通常認(rèn)為抑制AP合成閾值的九龍江口，AP的活性仍可以達(dá)到相當(dāng)高的水平?？梢酝茰y，在富營養(yǎng)水平的河口，底物DOP對AP的誘導(dǎo)作用比產(chǎn)物DIP的抑制作用可能更為重要，預(yù)示著有機(jī)磷的微生物礦化作用可能是河口DIP的重要來源。

致謝

感謝國家自然科學(xué)基金(41576085)、福建省自然科學(xué)基金(2019J01699)對本研究的支持。感謝福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門大學(xué))組織的九龍江河口-廈門灣共享航次提供的樣品采集的平臺(tái)。感謝廈門大學(xué)海洋監(jiān)測與信息服務(wù)中心提供論文分析所需的溫度、鹽度、葉綠素a、總懸浮顆粒物數(shù)據(jù)的整編和共享服務(wù)。