海岸带不同水体有色溶解有机物的光谱特征及微生物可利用性研究

Abstract

海岸带是连接陆地和海洋生态系统的重要过渡地带，海洋通过与陆地、大气等进行物质、能量交换以维持自身生态系统的稳定。养马岛附近海域作为中国北方重要的扇贝养殖区，近年来在全球气候变化和区域性人类活动的双重影响下，水体低氧、酸化现象频发。而这些生态环境问题与近海碳循环过程密切相关。有色溶解有机物（CDOM）是溶解有机物（DOM）的重要组成部分，微生物降解过程是CDOM迁移转化的重要方式，因此明确海岸带不同水体中CDOM浓度、组成和微生物可利用性对理解近岸海域碳循环具有重要意义。 近岸海域CDOM主要来源于海洋自生和陆源输入，前者包括浮游生物释放和微生物降解，后者包括河流、间隙水和大气沉降等。特别地，间隙水交换和大气湿沉降是影响研究海域CDOM浓度、组成和生物可利用性的重要过程。因此，本文对海岸带不同水体（藻华期间海水、潮间带水体和大气湿沉降）进行采集，利用吸收光谱和荧光激发-发射矩阵光谱（EEMs）结合平行因子分析（PARAFAC）的方法研究CDOM的浓度、荧光组成和来源，并通过微生物降解实验，量化了CDOM的生物可利用性，并估算了浮游植物生长和汛期降水对研究海域CDOM及具有生物可利用性CDOM储库的贡献，获得如下结果和认识： 1. 藻华期间表、底层海水中CDOM浓度（以a350计）分别为1.62 ± 0.42 m-1和1.30 ± 0.47 m-1，S275-295分别为0.022 ± 0.003 nm-1和0.023 ± 0.003 nm-1。利用EEMs-PARAFAC模型识别出四种荧光组分，分别为陆源类腐殖酸（C1）、类色氨酸（C2）、类酪氨酸（C3）和微生物源类腐殖酸（C4）。荧光指数（FIX）、腐殖化指数（HIX）和生物指数（BIX）的结果表明CDOM受陆源输入和海洋自生源的综合影响。经微生物降解实验后，表、底层海水中生物可利用性CDOM（%∆a350）分别为23.36% ± 17.94%和8.93% ± 20.30%。类腐殖酸（C1和C4）和类色氨酸（C2）组分的荧光强度降低，而类酪氨酸组分的荧光强度上升，具体降解情况如下：%ΔC1（23.75% ± 8.96%）>%ΔC4（20.83% ± 11.71%）>%ΔC2（11.67% ± 38.87%）>%ΔC3（-29.61% ± 39.90%），这也导致降解后CDOM的平均分子量和腐殖化程度降低。此外，表层海水中a350、%Δa350与Chl a之间存在显著线性相关关系，据此可以估算出浮游植物生长繁殖对海水CDOM储量的贡献为36.88%，对生物可利用性CDOM储量的贡献为85.01%。 2. 在潮间带水体中，由EEMs-PARAFAC共识别出四种荧光组分：微生物源类腐殖酸（C1）、陆源类腐殖酸（C2）和类色氨酸（C3和C4）。受人类活动及沉积物类型的影响，间隙水中a350比较：养马岛站（YS）>海水浴场站（HS）>牟平站（MS）；总荧光强度比较：HS>YS>MS。在MS和YS站，间隙水a350值高于海水，并沿退潮方向降低，表明间隙水交换是影响近岸海域CDOM空间分布的重要过程。经过降解实验后，间隙水%∆a350较低，为5.66% ± 5.21%；YS和MS站位类腐殖酸组分的荧光强度升高，而HS站位的结果与之相反，这可能与水体中类蛋白组分的比例有关；表层海水%∆a350均值为14.08% ± 6.20%，HS、YS站位类蛋白组分发生降解，类腐殖酸组分积累，而MS站位荧光组分的降解结果与之相反，这可能与MS站位微生物的生长代谢有关。 3. 2022年烟台汛期（6月 ~ 8月）降水样品中a350值为0.31 ± 0.16 m-1，与降水量存在显著负相关，这可能与降水的稀释效应有关；光谱斜率S275-295为0.027 ± 0.003 nm-1，表明降水CDOM具有较低的分子量。利用EEMs-PARAFAC识别出四种荧光组分，分别为类色氨酸（C1）、类富里酸（C2）、类酪氨酸（C3）和类腐殖酸（C4）；其中，类蛋白荧光为主要荧光组分（71.01% ± 11.62%）。经过28 d降解实验后，降水%∆a350为56.01% ± 15.19%，S275-295值降低，表明降水CDOM易于被微生物利用且平均分子量增大。类蛋白荧光组分主要表现为降解，而类腐殖酸组分产生并积累，其在总荧光强度中的比例由28.99% ± 11.62%上升至44.60% ± 8.60%。据估计，汛期降水输入的CDOM和生物可利用性CDOM通量分别占研究海域表层水体CDOM储量的6.26%和11.74%，是研究海域CDOM的重要来源之一