南黃海滸苔綠潮暴發(fā)區(qū)氨基酸時空分布特征

高新芃,景玉婷,蘇榮國*,石曉勇,2

南黃海滸苔綠潮暴發(fā)區(qū)氨基酸時空分布特征

高新芃1,景玉婷1,蘇榮國1*,石曉勇1,2

(1.中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室,山東 青島 266100；2.國家海洋局海洋減災(zāi)中心,北京 100194)

根據(jù)南黃海綠潮發(fā)展過程將滸苔綠潮區(qū)分為35°N以南和35°N以北2個區(qū)域,并利用2018年南黃海海域春、夏季2個航次的調(diào)查數(shù)據(jù)研究分析了滸苔綠潮發(fā)生前后2個區(qū)域總?cè)芙獍被?TDAA)、溶解游離氨基酸(DFAA)的分布特征及變化規(guī)律.結(jié)果表明,TDAA和DFAA的濃度均基本呈現(xiàn)近岸高遠(yuǎn)岸底的水平分布特點,35°N以南海域夏季相對于春季水體TDAA、DFAA的濃度整體呈現(xiàn)上升趨勢,其中TDAA濃度升高程度明顯,表、中層TDAA濃度分別升高了24.8%、60.6%,而35°N以北海域水體中TDAA的濃度卻降低了8.7%,其中表層水體TDAA含量下降了30.1%.在DIN濃度較低的35°N以北海域,滸苔的吸收利用可能是造成該區(qū)域表層水體TDAA含量降低的重要原因.由此可見,35°N以北海域水體氨基酸等小分子有機氮對滸苔綠潮后期的維持發(fā)展起著重要的支持作用.

南黃海；滸苔；綠潮；氨基酸

綠潮是指在特定的水域環(huán)境下,海水中某些大型綠藻(如滸苔)暴發(fā)性生長繁殖或高度聚集而引起水體變色的有害藻華現(xiàn)象[1].自20世紀(jì)70年代以來隨著工業(yè)的發(fā)展,近海富營養(yǎng)化加劇,世界范圍內(nèi)綠潮的發(fā)生頻率和影響規(guī)模明顯上升,法國、英國、美國等國家均相繼發(fā)生過綠潮災(zāi)害[2-4].

自2007年以來我國南黃海海域已連續(xù)14a暴發(fā)了綠潮災(zāi)害,綠潮災(zāi)害嚴(yán)重影響了沿海海洋生態(tài)系統(tǒng),造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,其中2008年間的滸苔綠潮在青島近岸海域大規(guī)模聚集,對我國沿岸的養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)和海洋生態(tài)環(huán)境造成了極為嚴(yán)重的影響,目前已成為我國近海亟待解決的生態(tài)環(huán)境問題之一[5].近海富營養(yǎng)化是綠潮持續(xù)發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ),已有研究表明水體中溶解無機氮(DIN)的含量對滸苔綠潮的生長和發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[6-10],而對于溶解有機氮(DON)的研究相對較少[6,8].徐環(huán)等[11]的研究表明,中國近海DON占總?cè)芙庥袡C氮(TDN)的比例均在60%以上,已成為中國近海TDN的主要存在形式.李鴻妹[6]的研究表明南黃海北部海域DIN的含量較低,滸苔綠潮處于維持發(fā)展期,此時DON可能是其維持發(fā)展的主要氮營養(yǎng)源.溶解態(tài)氨基酸(TDAA)作為小分子的DON易于被滸苔吸收利用[5].近年來,我國近海溶解氨基酸的研究主要集中在其分布和組成方面[12-15],對氨基酸與滸苔綠潮相關(guān)性的研究相對較少.張桂成[16]的研究表明氨基酸等小分子DON對浮游植物的豐度和生物量有著重要影響.Xiu等[17]研究也表明在青島近岸海域,滸苔對氨基酸、尿素等小分子DON的吸收速率快,周轉(zhuǎn)時間短,可能對綠潮的發(fā)展起著重要作用.基于此,本文對2018年春夏季南黃海溶解氨基酸的濃度分布、組成和含量變化進(jìn)行調(diào)查研究,分析滸苔綠潮期間水體中氨基酸的時空變化特征,探究氨基酸等小分子有機氮對滸苔綠潮的支持調(diào)控作用,為南黃海滸苔綠潮營養(yǎng)鹽驅(qū)動機制的研究提供參考.

1 材料與方法

1.1 調(diào)查海域

在2018年搭載“東方紅2號”科考船分別于滸苔綠潮發(fā)生前后3月28日～4月2日和7月24日～7月30日對南黃海海域進(jìn)行了2個航次(MC2018-1和MC2018-2航次)的調(diào)查,采樣水層為表、中、底3層,具體站位信息見圖1

圖1 南黃海調(diào)查站位

●為調(diào)查站位

1.2 樣品采集方法和保存

使用Niskin采水器采集海水水樣.將孔徑為0.7μm的GF/F膜(whatman,450℃灼燒4h)置于玻璃濾器上對采集的海水水樣進(jìn)行減壓過濾.濾液分為兩部分,一部分置于聚乙烯瓶中,用于營養(yǎng)鹽的測定,另一部分置于棕色玻璃瓶(預(yù)先在450℃馬弗爐中灼燒4h)中,用于氨基酸(DFAA、TDAA)的測定.濾液均置于-20℃的冰柜中冷凍保存.

1.3 氨基酸的測定

本研究采用柱前衍生反相高效液相色譜(RP-HPLC)法對氨基酸進(jìn)行測定,采用LC-10F高效液相色譜儀(天津博納艾杰爾科技有限公司),儀器色譜柱為Venusil AA氨基酸分析柱(4.6mm′250mm, 5μm).實驗使用了17種氨基酸的混標(biāo):Asp(天冬氨酸)、Glu(谷氨酸)、Ser(絲氨酸)、Gly(甘氨酸)、His(組氨酸)、Arg(精氨酸)、Thr(蘇氨酸)、Ala(丙氨酸)、Pro(脯氨酸)、Tyr(酪氨酸)、Val(纈氨酸)、Met(甲硫氨酸)、Cys(胱氨酸)、Ile(異亮氨酸)、Leu(亮氨酸)、Phe(苯丙氨酸)、Lys(賴氨酸)和一種氨基酸的內(nèi)標(biāo)(Nle,正亮氨酸).利用異硫氰酸苯酯(PITC)作為衍生試劑與氨基酸反應(yīng)生成穩(wěn)定衍生物苯氨基硫甲酰(PTC).游離溶解態(tài)氨基酸(DFAA)直接對樣品進(jìn)行衍化后上機測定.總?cè)芙鈶B(tài)氨基酸(TDAA)需要在衍生化之前進(jìn)行水解,采用酸水解法,向海水樣品中加入6mol/L的HCl,并加入苯酚、抗壞血酸等保護(hù)劑,然后在110℃條件下加熱水解,水解后的測定方法同DFAA,測得的氨基酸濃度即為TDAA的濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 滸苔綠潮發(fā)展區(qū)的劃分

圖2為2014～2019年南黃海滸苔綠潮覆蓋面積隨緯度的變化[8],35°N以南滸苔綠潮的覆蓋面積上升迅速,而35°N以北海域滸苔覆蓋面積有先穩(wěn)定后降低的趨勢,這說明滸苔綠潮生物量在35°N以南海域快速增加,而在35°N以北海域滸苔綠潮處于維持發(fā)展階段.南黃海滸苔綠潮一般在每年的3、4月份率先出現(xiàn)在蘇北淺灘及鄰近海域[18],該海域無機營養(yǎng)物質(zhì)含量較高,富營養(yǎng)化嚴(yán)重,且紫菜養(yǎng)殖丟棄的筏架為滸苔生長聚集提供了適宜的附著基[19].

5月下旬時由于適宜的溫度、光照和充足的營養(yǎng)鹽,使得滸苔綠潮覆蓋面積不斷擴(kuò)大,開始進(jìn)入快速生長期,并在風(fēng)和海流的共同作用下逐漸向北漂移[18]. 6月份到達(dá)35°N附近海域,滸苔綠潮覆蓋面積逐漸接近最大值,7月份滸苔綠潮遷移至35°N以北海域,其覆蓋面積逐漸達(dá)到最大值并維持穩(wěn)定[20]. Zhang等[8]的研究表明,35°N以南海域較高的DIN濃度為滸苔綠潮的快速發(fā)展提供了豐富的氮營養(yǎng)物質(zhì),35°N以北海域DIN處于較低水平,DON為滸苔綠潮的維持發(fā)展提供了重要支持.因此,本研究以35°N為界劃分滸苔綠潮發(fā)展區(qū),來研究氨基酸等小分子有機氮在滸苔綠潮維持發(fā)展中的支持和調(diào)控作用.

圖2 南黃海滸苔綠潮覆蓋面積隨緯度的變化

2.2 南黃海海域氨基酸的時空分布

南黃海海域各航次TDAA和DFAA濃度的平面分布特征及平均濃度如圖3、表1所示.春季調(diào)查航次表、中、底層TDAA含量,整體出現(xiàn)北部海域高、南部海域低的分布特征且在山東半島南部海域出現(xiàn)高值區(qū),王朋等[21]的研究結(jié)果表明該海域葉綠素(Chla)的含量出現(xiàn)高值,說明浮游植物的生命活動可能是影響TDAA濃度分布的重要因素.夏季調(diào)查海域表層TDAA的濃度在長江口附近海域出現(xiàn)明顯的高值區(qū),這表明夏季長江輸入是該區(qū)域TDAA含量升高的重要原因[14].南黃海春季航次表、中、底層水體DFAA的濃度分布均表現(xiàn)為蘇北淺灘附近海域出現(xiàn)高值區(qū),且由近岸到遠(yuǎn)岸逐漸降低的趨勢,說明陸源輸入可能是蘇北淺灘海域DFAA高值區(qū)出現(xiàn)的重要原因.夏季表、中、底層水體DFAA的濃度分布整體呈現(xiàn)出近岸高,遠(yuǎn)岸分布不均的特征,且夏季表層水體DFAA的濃度在射陽河口及其以北海域均出現(xiàn)高值,這與Zhang等[22]的研究結(jié)果一致,說明夏季河流輸入增加可能是DFAA濃度出現(xiàn)高值的重要因素.

表1 2018年南黃海海域DFAA、TDAA平均濃度及變化范圍

調(diào)查海域春季表、中、底層海水中DFAA的平均濃度分別為(0.23±0.05),(0.29±0.13),(0.31±0.11) μmol/L,夏季表、中、底層海水中DFAA的平均濃度分別為(0.32±0.08),(0.36±0.09),(0.37±0.12)μmol/L,春夏季均呈現(xiàn)出底層>中層>表層的垂直分布特征.底層水體DFAA濃度較高可能是由于微生物活動促使沉積物中氨基酸溶解以及顆粒態(tài)氨基酸分解所致[23].從DFAA濃度的季節(jié)變化來看,春季和夏季調(diào)查海域水體DFAA的平均濃度分別為(0.28±0.10), (0.35±0.10)μmol/L,夏季的DFAA整體濃度比春季高0.07μmol/L,夏季生物活動增強是水體DFAA濃度升高的主要原因之一[24].

春季調(diào)查海域水體TDAA表、中、底層的平均濃度分別為(1.86±0.49),(1.69±0.48),(1.74±0.67)μmol/L,夏季調(diào)查海域水體TDAA表、中、底層平均濃度分別為(1.79±0.60),(2.37±0.79),(1.85±0.64)μmol/L.夏季相對于春季中層和底層水體TDAA濃度分別升高了0.68和0.11μmol/L,而表層水體TDAA濃度變化不明顯.夏季水體溫度升高,生物活動增強,大量有機碎屑被微生物分解,導(dǎo)致水體氨基酸含量升高[22].

圖3 2018年南黃海海域DFAA、TDAA(μmol/L)的濃度平面分布

2.3 南黃海不同滸苔綠潮發(fā)展區(qū)TDAA、DFAA的濃度變化

如表2所示,35°N以南海域夏季相對于春季水體TDAA整體呈現(xiàn)上升趨勢,其中表、中層上升程度較高,分別升高了24.8%、60.6%,而35°N以北海域整體TDAA含量卻降低了8.7%,表層水體TDAA含量卻下降了30.1%,中層水體TDAA的含量升高了8.6%.許多研究表明,相對于春季,夏季南黃海TDAA含量受河流輸入及浮游植物生命活動的影響呈現(xiàn)整體升高趨勢[13-15].殷京玉等[25]的研究表明,南黃海DIN含量存在明顯的南北差異,北部海域水體DIN濃度整體低于南部海域,張海波等[7]的研究也表明受徑流輸入、沿岸流、北部青島冷水團(tuán)的影響,35°N以北海域水體DIN含量較低,而此海域中DON在TDN中占比較大,可為滸苔綠潮的維持發(fā)展提供營養(yǎng)支持.在DIN含量較低的北部海域,滸苔對氨基酸等小分子有機氮的親和力大于無機氮[6],對于水體中氨基酸的吸收利用加強,這可能是造成該海域TDAA含量降低的重要原因.

如表2所示,從春季到夏季南黃海海域水體表、中、底層DFAA含量均呈上升趨勢,35°N以南海域水體表、中、底層DFAA濃度分別升高了34.7%、21.2%、25.0%;35°N以北海域水體表、中、底層DFAA濃度分別升高了47.8%、34.8%、34.6%,這與王朋等[21]對南黃海海域水體氨基酸的研究結(jié)果一致,主要是夏季河流輸入及生物活動增加的影響所致.

表2 滸苔綠潮暴發(fā)區(qū)TDAA和DFAA的濃度

2.4 南黃海不同滸苔綠潮發(fā)展區(qū)氨基酸的組成變化

調(diào)查海域水體各氨基酸濃度如表3所示,南黃海35°N以北海域春季水體TDAA中所含主要氨基酸為Gly、Leu、Phe和Thr,其平均濃度分別為(0.43± 0.30), (0.40±0.30), (0.28±0.22), (0.23±0.18)μmol/L,這4種氨基酸總和占TDAA的62.4%;35°N以南海域春季水體TDAA中主要氨基酸為Leu、Gly、Phe和Asp,其平均濃度分別為(0.46±0.37), (0.30±0.17), (0.16±0.13), (0.13±0.07)μmol/L,4種氨基酸總和占TDAA的61.2%.

表3 滸苔綠潮暴發(fā)區(qū)氨基酸濃度(μmol/L)

續(xù)表3

圖4 滸苔綠潮暴發(fā)區(qū)各氨基酸占TDAA的平均物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)

夏季35°N以北海域水體TDAA中主要氨基酸為Asp、Gly、Glu和Thr,平均濃度分別為(0.33±0.15), (0.26±0.22), (0.23±0.18), (0.20±0.05) μmol/L,4種氨基酸總和占TDAA的52.3%;35°N以南海域水體TDAA中主要氨基酸為Asp、Glu、Thr和Phe,平均濃度分別為(0.48±0.38), (0.28±0.17), (0.35±0.29), (0.32±0.24)μmol/L,4種氨基酸總和占TDAA的58.3%.春夏季南黃海海域水體中甘氨酸和蘇氨酸均占有較大比例,這可能與此類氨基酸較難被微生物降解有關(guān)[12].

由圖4可知,夏季相比于春季35°N以南海域表、中層水體TDAA中Asp和Glu的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)升高趨勢,分別升高了15.8%、14%和3.9%、8.4%,有研究表明生物活動以及陸源輸入與氨基酸的含量密切相關(guān)[13-15],夏季陸源輸入及生物活動的增加可能是造成35°N以南海域氨基酸含量明顯升高的重要原因.35°N以北海域表、中層水體中Asp和Glu含量夏季比春季分別升高了11.6%、1.4%和6.2%、11.5%.相對于南部海域,表層和中層水體中Asp升高幅度較小.石學(xué)連[26]的研究表明,滸苔中含量最高的氨基酸為Asp和Glu,此類氨基酸含量的變化可能與滸苔綠潮的暴發(fā)相關(guān).李鴻妹[6]的研究表明在DIN含量較低時,滸苔對氨基酸等小分子有機氮的親和力要高于無機氮.在DIN含量較低的35°N以北海域,表、中層水體中Asp升高幅度較小的原因可能是聚集在該海域的滸苔對氨基酸等小分子DON吸收利用所致.

3 結(jié)論

3.1 南黃海水體DFAA和TDAA的水平分布均表現(xiàn)為近岸高、遠(yuǎn)岸底的分布特征且分別在春季蘇北淺灘海域和夏季長江入海口附近海域出現(xiàn)高值區(qū),這說明氨基酸的水平分布受河流等陸源輸入的影響顯著.

3.2 夏季相對于春季,35°N以南TDAA整體呈現(xiàn)上升趨勢,而35°N以北表層TDAA含量明顯呈現(xiàn)下降趨勢,下降程度為30.1%.在DIN含量較低的北部海域,大量聚集的滸苔對氨基酸的吸收利用可能是造成TDAA含量降低的主要原因,表明氨基酸等小分子有機氮對滸苔綠潮后期的維持發(fā)展起著重要的支持作用.

3.3 滸苔綠潮發(fā)生后,35°N以南海域表層和中層TDAA中Asp、Glu的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)顯著升高,而35°N以北表層和中層Asp僅升高了11.6%和1.4%,這可能與聚集在該海域的滸苔對氨基酸的吸收利用有關(guān).

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GAO Xin-peng1, JING Yu-ting1, SU Rong-guo1*, SHI Xiao-yong1,2

(1.Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Engineering Technology, Ministry of Education, School of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；2.Oceanography of the State Oceanic Administration Disaster Reduction Center, Beijing 100194, China)., 2021,41(6)：2902～2909

According to the distinct growth phases of green tides, the green tides development area ofwas divided into two regions: south of 35°N and north of 35°N. The survey data of the South Yellow Sea in two cruises in the spring and summer of 2018 were used to analyze the spatial-temporal distribution characteristics of total dissolved amino acids (TDAA) and dissolved free amino acids (DFAA) in these two regions. The results revealed that concentrations of TDAA and DFAA showed a decreasing distribution from inshore (high) to offshore (low). In the area south of 35°N, the TDAA concentrations increased from spring to summer by 24.8% in the surface seawater and 60.6% in the middle layer seawater, respectively. However, in the area north of 35°N, the TDAA concentration was decreased by 8.7% overall, and decreased by 30.1% in the surface seawater. The uptake and utilization of DON bymight be an important reason for the TDAA concentration decrease in the seawater with low DIN concentration in the area north of 35°N, which suggested that small molecular organic nitrogen, such as amino acids, played a key role in the late-stage green tide development of.

South Yellow Sea；；green tide；amino acids

X55

A

1000-6923(2021)06-2902-08

2020-09-22

NSFC-山東聯(lián)合基金(U1906210);國家重點研發(fā)計劃(2016YFC1402101)

* 責(zé)任作者, 教授, surongguo@ouc.edu.cn

高新芃(1997-),男,山東濰坊人,中國海洋大學(xué)碩士研究生,主要研究方向為海洋污染生態(tài)化學(xué).