水母代谢过程中释放的溶解有机质的光谱特征 ·...
Transcript of 水母代谢过程中释放的溶解有机质的光谱特征 ·...
第32卷,第6期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.32,No.6,pp158415872012年6月 SpectroscopyandSpectralAnalysis June,2012
水母代谢过程中释放的溶解有机质的光谱特征
郭东晖,易月圆,赵 磊,郭卫东
近海海洋环境科学国家重点实验室,厦门大学海洋与地球学院,福建 厦门 361005
摘 要 研究了实验室培养的小型水母弗洲指突水母(犅犾犪犮犽犳狅狉犱犻犪狏犻狉犵犻狀犻犮犪)代谢过程中所释放的溶解有
机物(DOM)及其吸收和荧光光谱特征的变化。与对照组海水相比,充分摄食后的水母在24h的代谢过程中
向水体释放大量的溶解有机碳和总溶解态氮,有色溶解有机物的吸收系数犪280也有显著增加。光谱斜率比值
(犛R)的增大和腐殖化指数(HIX)的降低,表明水母代谢产生的主要是腐殖化程度较弱的低分子量DOM。利
用平行因子分析(PARAFAC)模型对三维荧光光谱进行解谱,识别出3个类腐殖质(C1C3)和1个类蛋白质
(C4)组分。发射波长在400nm以下的“海源”类腐殖质组分C2(<250,295/386nm)及类蛋白质组分C4
(275/334nm)在代谢过程中有明显增加,表明它们是水母代谢释放的主要荧光物质;而发射波长在400nm
以上的组分则变化不大。据此可将发射波长小于400nm与大于400nm的荧光组分强度和之间的比值,构建
为DOM的浮游动物来源指标(ZIX),用于识别和示踪水环境中浮游动物代谢活动释放和产生的DOM。
关键词 溶解有机物;水母;代谢过程;三维荧光光谱;平行因子分析;浮游动物源指标
中图分类号:O657.3 文献标识码:A 犇犗犐:10.3964/j.issn.10000593(2012)06158404
收稿日期:20111229,修订日期:20120318
基金项目:国家(973计划)项目(2011CB403604,2011CB409804),国家自然科学基金项目(40776041)和中央高校基本科研业务费专项资金
项目(201112G011)资助
作者简介:郭东晖,1973年生,厦门大学海洋与地球学院助理教授 email:guodh@xmu.edu.cn
通讯联系人 email:wdguo@xmu.edu.cn
引 言
溶解有机物(DOM)是海水中重要的还原性碳储库之一,
其来源主要包括外源河流输入、海洋环境中生物活动的自生
源贡献以及污染输入等[14]。不同来源的DOM因其性质和组
成的差异,对水生生态系统的碳循环以及微食物环的结构与
功能会产生不同的影响,因此探究不同来源DOM的组成特
征及其地球化学活性具有重要的环境与生态学意义。
有关DOM自生来源的研究多集中于海洋植物的贡献,
如浮游植物以及大型藻类的生长过程[2]。浮游动物是海洋生
态系统的重要类群,其生长、代谢及行为过程对水体中
DOM的含量及组成也有显著的贡献[59],但有关浮游动物的
摄食与排泄等对水体DOM光谱特性的影响研究很少,且主
要关注植食性的桡足类等少数类群[7,10,11]。
水母是一类重要的浮游动物功能群,种类多,数量大,
分布广,它是浮游动物、鱼卵和仔稚鱼的主要捕食者,在生
态系统中发挥着独特的生态学作用[12]。目前由于人类活动
及气候变化的影响,在全球许多海湾和海区出现水母数量增
加甚至暴发的事件,水母大量捕食饵料浮游动物,其代谢过
程对水体碳循环会产生哪些影响是生态系统动力学研究关注
的课题之一[8,13]。但水母这类捕食性的浮游动物代谢过程中
产生的DOM具有哪些光谱特性,目前国内外都没有研究报
道。本研究对充分摄食后的小型水母弗洲指突水母进行了24
h的培养实验,利用紫外可见吸收光谱和三维荧光光谱
(EEMs)并结合平行因子分析(PARAFAC)的手段[3,4,1416],
研究水母代谢过程中释放到水体的DOM的含量及其光谱特
征的变化,这对深入揭示这类生源DOM的不同组分在微食
物环中各自所起的不同生态学作用有重要意义。
1 实验部分
11 培养水母
于2011年5月17日—18日进行水母代谢的实验室培
养。在透明容器中装入300mL厦门大学海洋与地球学院生
态场的砂滤海水,加入8只充分摄食卤虫(犃狉狋犲犿犻犪sp.)后的
弗洲指突水母,置于室温通风处进行培养,另取同样体积海
水设置对照组。每组均设2个平行样,于培养24h后取样进
行分析。
12 样品分析
采用MultiN/C3100TOCTN分析仪测样品的溶解有
机碳(DOC)和总溶解氮(TDN)含量[4]。UV2300紫外可见
分光光度计用于吸收光谱的分析,吸收系数犪280表示有色溶
解有机物(CDOM)的相对含量[17],光谱斜率比值犛R 则可指
示DOM 平均分子量的相对大小[18]。荧光溶解有机物
(FDOM)的三维荧光光谱测定则采用CaryEclipse荧光分光
光度计,激发波长范围从250~450nm,发射波长范围从300
~600nm[3,4]。
13 三维荧光光谱的统计处理
样品的三维数据阵列EEMs首先进行拉曼校正,再扣除
拉曼归一化后的MilliQ水空白。然后利用MATLAB7.5软
件对EEMs进行PARAFAC模拟[4,14],2011年在九龙江口
采集84个水样一起参与统计以保证模拟结果的可靠性。利
用折半分析来确定合适的荧光组分数目[3,4,14,17]。各个组分
的丰度以最大荧光强度 犉max(RU,Raman单位)来表
示[4,17,19]。
2 结果与分析
21 犇犗犕的荧光组分特征
根据PARAFAC模型共鉴定出4个荧光组分(图1,表
1),包括3个类腐殖质组分(C1C3)和1类蛋白质组分(C4)。
C1(<250,340/422nm)对应于传统寻峰法的A/C峰[4],被
认为代表了陆地来源的腐殖质或者由微生物降解产生[17]。
C2(<250,295/386nm)对应于传统寻峰法的A/M峰[4,19],
早期被认为是一种“海源”组分。C3(<250,375/486nm)反
映了长波激发类腐殖质的荧光特性,该组分具有高分子量和
高芳香度的特性[4,19]。C4(275/334nm)属于典型的类蛋白质
组分[3,19]。这4个组分与过去在九龙江口观测到的DOM荧
光组分特征完全一致[4]。
犉犻犵1 犆狅狀狋狅狌狉狆犾狅狋狊狅犳犳犾狌狅狉犲狊犮犲狀犮犲犮狅犿狆狅狀犲狀狋狊犻犱犲狀狋犻犳犻犲犱犫狔犘犃犚犃犉犃犆犿狅犱犲犾
犜犪犫犾犲1 犘狅狊犻狋犻狅狀狊狅犳狋犺犲狆犲犪犽犿犪狓犻犿犪狅犳狋犺犲犳犾狌狅狉犲狊犮犲狀狋
犮狅犿狆狅狀犲狀狋狊犻犱犲狀狋犻犳犻犲犱犫狔犘犃犚犃犉犃犆
ComponentsExcitationandemission
maxima,(Ex/Em)/nmDescription
C1 <250,340/422 UVA类腐殖质组分
C2 <250,295/386 UVB类腐殖质组分
C3 <250,375/486 UVA类腐殖质组分
C4 275/334 类蛋白质(类色氨酸)组分
22 水母代谢过程中荧光组分的变化
图2可见,未加入水母的对照组中,4个组分的荧光强
度在24h内变化不大;而加入水母的培养组中,UVA类腐
殖质组分C1和C3的强度跟初始值也很接近,但UVB类腐
殖质组分C2的强度增加了103%,而类蛋白质组分C4的强
度更是增加了297%,说明水母的代谢过程主要向水体中释
放短波激发的“海源”类腐殖质以及类蛋白质组分,这与桡足
类、被囊类等其他浮游动物的摄食和排泄实验的结果[10,11]
一致,显示了浮游动物来源的FDOM具有一定的共同属性。
犉犻犵2 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳狋犺犲犻狀狋犲狀狊犻狋狔犮犺犪狀犵犲狊狅犳犳犾狌狅狉犲狊犮犲狀狋
犮狅犿狆狅狀犲狀狋狊犫犲狋狑犲犲狀犮狅狀狋狉狅犾犪狀犱犻狀犮狌犫犪狋犻狅狀犵狉狅狌狆狊
图3可见,水母的代谢过程也引起水体中DOM各荧光
组分之间的相对比例发生很大变化。尤其是类蛋白质组分
C4所占的比例从22%增加到45%,增加幅度超过100%(图
3)。过去的研究表明,水环境中的类蛋白质组分是一种易于
被微生物吸收利用的活泼组分[20],据此不难推断,水母等浮
游动物的代谢过程无疑会增强水体中DOM的地球化学活
5851第6期 光谱学与光谱分析
性,这将通过影响海洋微食物环的运作而对生态系统中碳的
迁移、转化和归宿产生重要作用[6,7]。
犉犻犵3 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犿犲狋犪犫狅犾犻犮狆狉狅犮犲狊狊狅犳狊犿犪犾犾犿犲犱狌狊犪狅狀狋犺犲狉犲犾
犪狋犻狏犲狆犲狉犮犲狀狋犪犵犲狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犳犾狌狅狉犲狊犮犲狀狋犮狅犿狆狅狀犲狀狋狊
23 水母代谢过程中吸收系数及犇犗犆和犜犇犖含量的变化
水母的代谢过程不仅向水体释放FDOM,还会同步释放
CDOM。培养组的吸收系数犪280(0.50±0.02)m-1与对照组
(0.21±0.00)m-1相比有明显增加,而其DOC含量也比对
照组高出100%(图4),这表明,水母代谢过程会同步向水体
释放包括CDOM和FDOM在内的溶解有机物质。平均而言,
单个弗洲指突水母的DOC释放率为0.129μmolDOCind-1
h-1,略低于Condon等[13]在Chesapeake湾的York河口观测
到的淡海栉水母(犕狀犲犿犻狅狆狊犻狊犾犲犻犱狔犻)和五卷须金黄水母
(犆犺狉狔狊犪狅狉犪狇狌犻狀狇狌犲犮犻狉狉犺犪)的DOC释放率(分别为0.02~
8.86和1.2~58.3μmolDOCind-1h-1),可能与水母种类
犉犻犵4 犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳狋犺犲犇犗犆犪狀犱犜犇犖犮狅狀狋犲狀狋狊
犫犲狋狑犲犲狀犮狅狀狋狉狅犾犪狀犱犻狀犮狌犫犪狋犻狅狀犵狉狅狌狆狊
不同以及实验条件的差异有关。
此外培养组中的TDN含量也比对照组高出40%(图4),
表明水母的代谢过程在释放有机质的同时,也会释放含氮营
养盐。水母等胶质浮游动物排泄的TDN主要以铵氮(NH4N)
为主,也包括一定数量的溶解有机氮(DON)[13,21]。Pitt等也
报道了端棍水母(犆犪狋狅狊狋狔犾狌狊犿狅狊犪犻犮狌狊)可向水体排泄大量铵氮,
这些营养盐可满足浮游植物初级生产对无机氮需求的8%[22]。
24 水母代谢过程所释放犇犗犕的性质变化
光谱斜率比值犛R是反映DOM相对分子量大小的一个
指标,它通常随着DOM分子量的减小而增大[18]。对照组的
犛R只有0.95±0.01,但培养组中该参数却在24h内迅速增
加到2.19±0.92,这表明与海水基质相比,水母代谢过程中
排泄释放的有机质主要是一些低分子量的DOM。腐殖化指
数(HIX)是反映DOM腐殖化程度的一类指标,可用 HIXa
或HIXb 表示[23]。培养组中 HIXa(1.30±0.10)或 HIXb
(0.57±0.02)均明显低于对照组(分别为3.33±0.08,0.77
±0.00),说明水母代谢过程释放的DOM的腐殖化程度更
弱,芳香度也要低一些。总体上,水母代谢过程中向水体释
放的是分子量较低、芳香度和腐殖化程度较弱的DOM。
25 浮游动物来源犇犗犕指标体系(犣犐犡)的构建
与海水基质相比,水母代谢过程中产生的UVB类腐殖
质组分C2(<250,295/386nm)和类蛋白质组分C4(275/334
nm)的发射波长都低于400nm,高于400nm的组分则变化
不大。UrbanRich等[6,7]对桡足类摄食及排泄产生的FDOM
的荧光光谱分析,也观测到这些浮游动物来源的短波激发类
腐殖质组分相对于天然海水中的 M峰发生蓝移,其发射波
长也小于400nm。基于上述事实,我们提出可以构建一个示
踪浮游动物来源DOM 的指标体系(ZIX,zooplanktonin
dex),即以发射波长400nm为界限,将发射波长在400nm
以下的荧光组分强度之和与发射波长在400nm以上的荧光
组分强度之和的比值定义为ZIX指标。对本研究而言,海水
基质的ZIX值为1.04,而水母代谢产物的ZIX值为3.35,两
者具有明显的差别。该指标比仅仅依据河、海水FDOM光谱
性质的差异而提出的所谓自生源指标(BIX)[24]有更可靠的实
验数据进行佐证,因而具有更强的针对性和实用价值。
3 结 论
水母的代谢活动可向水体中释放相对低分子量的DOM
以及含氮营养盐,当水母数量增加或形成暴发事件时,其代
谢过程可能会是水体中溶解态C和N的重要来源,可用基
于荧光光谱分析的浮游动物源指标(ZIX)来对这些溶解有机
质进行示踪。这类生源DOM的输入会改变水环境中溶解有
机质的组成及其地球化学活性,并会影响水体的光学性质、
生态系统的碳循环以及痕量金属的迁移和归宿,因此有必要
进一步开展海区水母摄食及排泄等代谢过程的现场研究。
犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊
[1] HansellDA,CarlsonCA.BiogeochemistryofMarineDissolvedOrganicMatter,2002,SanDiego:AcademicPress,685.
[2] RochelleNewallEJ,FisherTR.MarineChemistry,2002,77:7.
6851 光谱学与光谱分析 第32卷
[3] GuoW,XuJ,WangJ,etal.JournalofEnvironmentalScience,2010,22(11):1728.
[4] GuoW,YangL,HongH,etal.MarineChemistry,2011,124:125.
[5] HygumBH,PetersonJW,SndergaardM.JournalofPlanktonResearch,1997,19(1):97.
[6] SteinbergDK,GoldthwaitSA,HansellDA.DeepSeaResearchPartⅠ,2002,49(8):1445.
[7] SteinbergDK,NelsonNB,CarlsonCA,etal.MarineEcologyProgressSeries,2004,267:45.
[8] CondonRH,SteinbergDK,delGiorgioPA,etal.PNAS,2011,108(25):10225.
[9] SabaGK,SteinbergDK,BronkDA.JournalofExperimentalMarineBiologyandEcology,2011,404(1-2):47.
[10] UrbanRichJ,McCartyJT,ShailerM.ICESJournalofMarineScience,2004,61:542.
[11] UrbanRichJ,McCartyJT,FernandezD,etal.JournalofExperimentalMarineBiologyandEcology,2006,332:96.
[12] MillsCE,1995.ICESJournalMarineScience,52:575.
[13] CondonRH,SteinbergDK,BronkDA.JournalofPlanktonResearch,2010,32(2):153.
[14] StedmonCA,BroR.LimnologyandOceanographyMethods,2008,6:572.
[15] GuoW,StedmonCA,HanY,etal.MarineChemistry,2007,107:357.
[16] DENGXun,GUOWeidong,ZHUOJianfu(邓 荀,郭卫东,卓健富).SpectroscopyandSpectralAnalysis(光谱学与光谱分析),
2012,32(1):137.
[17] HongHS,YangLY,GuoWD,etal.Biogeochemistry,2010,doi:10.1007/s1053301196178.
[18] HelmsJR,StubbinsA,RitchieJD,etal.LimnologyandOceanography,2008,53:955.
[19] StedmonCA,MarkagerS.LimnologyandOceanography,2005,50(2):686.
[20] LnborgC,?lvarezSalgadoXA,DavidsonK,etal.MarineChemistry,2010,119:121.
[21] ShimauchiH,UyeS.JournalofOceanography,2007,63:27.
[22] PittKA,KoopK,RissikD.JournalofExperimentalMarineBiologyandEcology,2005,315:71.
[23] ZsolnayA,BaigarE,JimenezM,etal.Chemosphere,1999,38(1):45.
[24] HuguetA,VacherL,RelexansS,etal.OrganicGeochemistry,2009,40(6):706.
犛狆犲犮狋狉犪犾犆犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狅犳犇犻狊狊狅犾狏犲犱犗狉犵犪狀犻犮犕犪狋狋犲狉犚犲犾犲犪狊犲犱犱狌狉犻狀犵狋犺犲
犕犲狋犪犫狅犾犻犮犘狉狅犮犲狊狊狅犳犛犿犪犾犾犕犲犱狌狊犪
GUODonghui,YIYueyuan,ZHAOLei,GUOWeidong
StateKeyLaboratoryofMarineEnvironmentalScience,CollegeofOceanandEarthSciences,XiamenUniversity,Xiamen
361005,China
犃犫狊狋狉犪犮狋 Themetabolicprocessesofjellyfishcanproducedissolvedorganicmatter(DOM)whichwillinfluencethefunctioning
oftheaquaticecosystems,yettheopticalpropertiesofDOMreleasedbyjellyfishareunknown.Herewereporttheabsorption
andfluorescencepropertiesofDOMreleasedbyamedusaspecies犅犾犪犮犽犳狅狉犱犻犪狏犻狉犵犻狀犻犮犪duringa24hincubationexperiment.
Comparedwiththecontrolgroup,anobviousincreaseintheconcentrationsofdissolvedorganiccarbon(DOC),absorptioncoef
ficient(犪280)andtotaldissolvednitrogen(TDN)wasobservedinincubationgroup.Thisclearlydemonstratedthereleaseof
DOM,chromophoricDOM(CDOM)anddissolvednutrientsby犅.狏犻狉犵犻狀犻犮犪whichfeedonenoughof犃狉狋犲犿犻犪sp.beforethe
experiment.Theincreaseinspectralsloperatio(SR)anddecreaseinhumificationindex(HIX)indicatedthatthereleasedDOM
waslesshumifiedandhadrelativelylowermolecularweight.Parallelfactoranalysis(PARAFAC)decomposedthefluorescence
matricesofDOMintothreehumiclikecomponents(C1C3)andoneproteinlikecomponent(C4).The犉maxoftwocomponents
(C2:<250,295/386nm;C4:275/334nm)withtheemissionwavelength<400nmincreasedsignificantlyduringthemetabol
icprocessof犅.狏犻狉犵犻狀犻犮犪.However,the犉maxoftheothertwocomponentswiththeemissionwavelength>400nmshowedlittle
changes.Thus,wesuggestedazooplanktonindex(ZIX)totraceandcharacterizetheDOMexcretedbymetabolicactivityofzo
oplankton,whichiscalculatedastheratioofthesumof犉maxofallfluorescencecomponentswiththeemissionwavelength<400
nmtothesumof犉maxoftheothercomponentswiththeemissionwavelength>400nm.
犓犲狔狑狅狉犱狊 Dissolvedorganicmatter;Medusa;Metabolicprocess;Fluorescenceexcitationemissionmatrixspectroscopy;Paral
lelfactoranalysis(PARAFAC);Zooplanktonindex(ZIX)
Correspondingauthor (ReceivedDec.29,2011;acceptedMar.18,2012)
7851第6期 光谱学与光谱分析