南海生态系统中碘的生物地球化学行为研究

摘要和(或)颗粒态碘在南海生态系统碘的生物地球化学循环中也扮演非常重要的角色。180N断面东段(1161190E)的次表层碘富集区与冬季吕宋冷涡位置吻合。碘富集表明高生产力导致的碘输出和再矿化是南海碘的生物地球化学循环的重要途径。碘富集以高的103一浓度形式存在，表明次表层r的“寿命”只在数月之内。关键词：南海，溶解无机态碘，初级生产力，中尺度涡旋，硝化作用AbstractPreliminary research of the biogeochemical behavior ofio qlinethe South China Seaiodinein e out IllnaBy Dang AicuiDirected by Chen Shaoyong and Long AiminAbstractDunaliella tertiolecta batch cultures were grown under axenic conditions in if20mediafor 1 9 days；iodate was kept at ambient surface seawater level in Level 1culture and raised to 4500 nM in Level 2At Level 1 mediumiodate dereasedalmostly linearly at a rate of approximately 3 nmol(Ld)(R2=0929)and lost nearly50 nmol(1 67of initial amount)till the end of the experiment，but no iodide wasadded to the mediumThe lost of iodate at Level 2 medium reached 2230 nmol butonly 935 nmol iodide was added into the medium；the rates of iodate depletion andiodide formation was higher at stationary stage than exponential stage，and iodideconcentration in the medium was positively related to nitriteThe IN uptake ratios inLevel 1 and Level 2 were 1004l 0。and 47766l 0一respectively；IC uptakeratios were 15 1 5l 04 and 72081 0一respectivelyThe distributions of iodide and iodate were investigate during KJ cruise in Mayand June，2009The concentration of dissolved inorganic iodine varied between 350and 64 1 nM，with an average of 47 1 nM which lies with the range of iodineconcentration reportedThe distribution of iodine WaS not homogeneous and bothsurface enrichment and subsurface enrichment were detectedThere are strong positive correlations between iodide，iodideiodate and chla，primary production at surface，and strong negative correlations between theseparameters at 50 m and 75 mThe possible reasons include：a)the presence of nitrateat the top of the nutricline inhibited iodate reduction of phytoplankton；b)the differentphytoplankton structures at surface and at the top of the nutricline maintaineddifferent abilities of iodine reduction and uptake；c1 iodide oxidation which ranparallel with nitrification compete with iodate reduction of phytoplanktonAbstractThe cold eddy adjacent to Vietnam induced intense growth of phytoplankton andthus strong nutrients uptakeIodideiodate was elevated apparently and a net additionof dissolved inorganic iodine was induced by this eddyThe remarkable derease ofDO at 50-1 00 m and prominent increases of nitrate and phosphate at 1 50 m at theedge of the anticyclonic eddy west of Luzon relative to its core indicated strongremineralization at the edgeIodide and iodate were elevated simultaneously at theedge and thus a net addition of iodine happened，indicating the important roles ofdissolved organic iodine and particulate iodine in the iodine bigeochemical cycle inthe SCSThe deep iodine enrichment(1 l 61 1 90E)at 1 80N transect located right beneaththe strong and enduring offshore bloom induced by the Luzon cold eddy，indicatingthat iodine Was incorporated into organic maRers and transported out of the euphoticzone by lasting high new or export productivity in winter,and then was remineralizedback to dissolved inorganic iodine in the water columnIn other words，aside fromnstu recycling(mainly the intereonversion between iodate and iodide)，downwardtransport via organic matter under higll new or export productivity condition andsubsequent remineralization are also crucial courses of iodine cycling in the northernSCSThe de印iodine enrichment缸the form of iodate suggests rapid bacterialremineralization of organic iodine back to the most oxidized form and thus shortiodide Iifetime of at most several monthsKeywords：South China Sea,dissolved inorganic iodine，primary production,mesoscale eddy，nitrification目录第一章 绪论111 海洋生态系统中碘的研究现状2111 海洋生态系统中碘的分布模式2112海洋生态系统中碘的形态转化机制312研究内容8第二章杜氏盐藻对海水中无机碘(103一与r)的调控1021材料与方法1l211微藻培养。1 1212藻细胞数测定1 l213培养基营养盐及碘浓度测定一1 122结果与讨论12221 杜氏盐藻在两种碘浓度条件下的生长情况12222培养液中氮盐的变化13223 培养液中103一_I一的转化14224其它形态碘的生成1 8225 IN和IC的估算l 923 结论1 9第三章 南海生态系统中溶解无机态碘的生物地球化学特征2131研究区域概况21311 南海的地理、气候及水文环境2 l312季风驱动下的生态要素的显著季节性变化23313 季风驱动下的冷涡生态区2532研究方法29321 航次站位布设及采样29322分析方法31323辅助数据3233 结果32331 水文概况32332溶解氧和营养盐的分布50333 叶绿素和初级生产力一63334碘的分布6534讨论79341 南海溶解无机态碘的不均匀分布79342上层水体碘的形态与叶绿素及初级生产力的关系79343 营养盐及碘对中尺度涡旋的响应87344碘的垂直输运及再矿化96第四章总结与展望1 0241本论文总结10242 展望。1 04参考文献i 06目录89011122况一圭同文论一表发P日：期位学士历博简一读者谢明攻作致声第一章绪论碘元素作为甲状腺激素的重要组分，是所有脊椎动物的必需微鼍元素，人体若缺碘将可能导致甲状腺肿大及脑损伤。半衰期长达16107年的129I一旦被核设施或核武器释放，必然参与全球碘的生物地球化学循环，并极有可能富集于人类甲状腺从而导致甲状腺癌症Il，2。因此，我们必须更充分地了解碘的环境行为，以对129I进行准确的安全性评估【3，41。此外，海_气的碘释放不仅能破坏对流层臭氧(一种极强的温室气体)，而且参与海洋边界层气溶胶的形成反应136J，从而影响大气的氧化能力以及地球的辐射平衡。正是由于碘元素对人类健康、全球环境等的重要影响逐步被发现，它的生物地球化学循环近年正逐渐成为国际生态学家的研究兴趣和热点I。与土壤、河流、湖泊以及陆地植物极低的碘含量相比，海洋因其较高的碘含量(平均为58L)而成为碘的伞球性生物地球化学循环的主要来源(图1)17 J。其中，主要碘形态的氧化及还原转化是碘在海洋生态系统中进行循环的重要途径之一，并间接影响海洋向大气的碘输送悼J，从而成为碘研究的一个重要切入点。PhotolysisIodine oxidesConde“sabOn m正IeI Preciprtationand cloud formationseaweed and keIDIoxidation罔ll碘的全球性生物地球化学循环的简化示意图州Figure 1 1 The simplified schematic diagram ofglobal biogeochemical cycling ofiodineI I1I海洋生态系统中碘的研究现状l 1 I海洋生态系统中碘的分布模式水体巾的碘主要以溶解态存在，包括溶解无机碘(碘酸根Io，及碘离子I一)和溶解有机碘(dissolved organic iodineDOt)。溶解无机碘的浓度在400nM垒500nM之间，并在表层海水中出现轻微的损耗。溶解有机碘(DOI)H在一“!lnf|1厦近岸浅水中达到较高的比例(4080*o)，在开阔大洋水体l，通常小于溶解态碘的519”I。将海水一拍021t20和I-，103一这两个反应体系代入能斯特方程进行L|_算，可知在现代的氧化性海水(pH 81和pEl2 5)一h平衡状态下的IOj和l浓噬比第一章绪论应为321013，即103一是海水中溶解无机碘的最稳定及唯一可测形态【14，1 51。事实上，103一确实在绝大多数海洋水体中占主导地位，与上述热力学预测结果相符。然而，表层海水中的碘系统却普遍偏离了这一热力学平衡，呈现出强烈的103一_r还原特征。在热带、亚热带表层水体中，I一的累积程度最为剧烈，甚至有高达50的溶解无机碘以r形式存在；温带表层水体的I一浓度次之，通常随离岸距离的减小而升高；高纬度表层水体的r浓度则更低一些【lo11，6。201。有学者认为，虽然表层水体中碘系统的这种纬度变化可能一定程度上反映103一_r还原机制的强度演变，但也不能排除碘系统与物理要素水体垂直混合强度的纬度变化的耦合效应【19】。热带及亚热带海域存在永久性跃层，致使表层水的存留时间较长，从而使得103一一I一还原机制生成的I一能够累积到更高浓度。除表层海洋以外，r在一些极端的海洋环境中亦达到很高的浓度(抑或悉数以I一存在)，如高盐海水(brines)、缺氧沉积物及氧最小层14,21-24】。生活于海洋中的生物体同样具有较高的碘含量。其中，浮游植物的IC比值与水体中IC比值非常接近，约为14(-4-08)104【25,26】。而一些大型藻类如海带目褐藻能够极大程度地从海水中富集碘(富集倍数高达3104倍)，以至体内碘含量达到其干重的1 o27,28】。海洋动物含碘量较之海洋浮游植物低一个数量级【291。生物体在同化吸收碘的同时亦促进了碘的形态转化，如促使103和I。相互转化等。虽然大型藻类具备高效的碘富集能力，但就全球海洋而言，生物体对碘的吸收及形态转化仍是浮游植物占主导地位。表层沉积物中的碘通常结合于有机物中【30彤】，因而有机碳累积速率高的海区的表层沉积物也通常具有较高的碘含量，同时间隙水也出现很高的r含量【3引。因此沉积物的扰动也能对水体中碘的形态分布产生影响。由于海水沉积物界面的微生物活动或化学反应的富集作用【321，表层沉积物的IC比值较浮游植物及沉降颗粒高一个数量级，如Kennedy and Elderfield34J报导大西洋表层沉积物的IC比达到10一310一。沉积物的IC比值随深度迅速降低，同时间隙水中也发生I一_103一的转化。112海洋生态系统中碘的形态转化机制(a) r的生成3南海生态系统中碘的生物地球化学行为研究海洋表层水体中r的富集主要来自于103一的还原(反应式1)，这是碘的生物地球化学循环的重要环节之一。目前被提出的103一还原途径包括浮游植物生长调控、细菌活动、沉积物水体的相互作用(硫化物)和光化学反应。q一+6H+6e一丝竺丝竺竺丝专，一+31-120 ，1、 一 工(1)浮游植物生长调控普遍认为碘是一种亲生物元素【l 01，营养盐动力学过程对碘系统有显著影响。因此，总溶解碘在表层的轻微损耗通常被认为是生物吸收所致。而相比总溶解碘的轻微损耗，103一在表层的亏损程度更为引人注目。正是由于碘元素的亲生物性以及103一这种类似于生物调控型元素(如Ca、C等)的垂直分布模式，多数研究从浮游植物生长(生产力)调控的角度来阐述表层水体中的r富集。许多现场观测结果支持碘形态受浮游植物生长调控的观点。如，Truesdale等191发现热带和亚热带海区永久跃层中的103一与营养盐浓度存在良好的相关性；Jiekells等【l 7l在位于热带的Sargasso海观测到碘形态的季节循环；Tian等f35J发现地中海的103一一r还原量与再生生产力紧密相关；Chance等【36l在南极洲近岸区域发现r的积累与初级生产力紧密相关，浮游植物同化吸收的IC比为1610_4；等等。相反地，温带陆架海区的103一及总溶解碘并没有随着显著的浮游植物季节性生长而发生变化【3741】；南本格拉高生产力的上升流水体中也观测不到103一及总溶解碘的变化1421。也就是说，迄今为止尚未得到统一的现场观测结果来证明溶解碘形态与浮游植物生产力存在直接联系。另一方面，很多室内藻类培养实验也对浮游植物生长对碘形态的调控进行了探讨。1947年，Egami and Sato发现氯酸根离子由于其结构与NOf非常相似，能够被硝酸盐还原酶还原成亚氯酸根【43l。同为卤族元素的I的103r还原反应速率虽不及氯酸根的还原反应速率，但大于N03-的还原反应速率，因此硝酸盐还原酶也能够将103一还原至rml。硝酸盐还原酶是浮游植物同化吸收NO厂N的必需物质。受此启发，研究者们开始用室内藻类培养实验来验证碘形态对浮游植物生长调控的响应，但早期的研究没有取得统一结果。比如，Sugawara&Teradal451报道硅藻Navicula sp能促进103一与r之间的转化并优先吸收r；Moisan掣删发现Thalassiosira oceanica、Ske沱lonema costatum、Emiliania huxleyi和Dunaliellatertiolecta吸收103一的速率达到0003024 nmol 103一lag chl a-ih1，并全部以其4第一章绪论它形态(推测为I一)排至体外；而TmesdaleM和Butler等却报道Brachiomonassubmarina，Tetra selmis tetrathele，Dunal彪lla primolecta，Chlorella oval括，Phaeodactylum tricornutum、Monochrysis lutherii、Skeletonema costatum对碘形态没有产生明显影响。Wong等49J认为早期取得的这些不一致结果可能是人为因素导致：1)不同形态的N的相对可利用性影响藻液中硝酸还原酶的活性强度501，例如，低价态N抑制N03-的还原。若103一的还原受硝酸还原酶活性的影响，那么低价态N也同样抑制IO3-的还原。此外，如果103一和N03-的还原确实涉及同样的酶系统，那么远远高于103一浓度的N03一也会抑制103-的还原。而早期的实验室研究没有考虑培养液中氮盐浓度对实验结果的影响，加入的N03一初始浓度通常达到lmM，103一浓度却比之低若干数量级。2)早期的碘测定方法不完善，并且研究者忽略了藻类培养过程中形成有机碘的可能性。而一些分析方法测定103一的实际上是103-+有机碘，掩盖了103一浓度的降低。3)培养液中的细菌影响实验结果。因此，Wong等【49】设置了更为完善的实验方案排除以上人为影响因素，并选择六种最具代表性的大洋及近岸浮游植物种进行培养实验，发现6种藻在设置的所有103一浓度下均具有将103一还原成r的能力。由于这6种藻类代表了大洋及近岸环境的典型藻种，Wong等认为浮游植物对103一的还原可能是一种普遍现象，并且可能在控制海洋无机碘的化学形态中起重要作用。此后，又有Chance等【8】发现冷水种硅藻Nitzschia sp和Navicula sp也能够吸收103一并生成r，特别是Nitzschia sp几乎将培养液中的103一全部去除并以003 I“g chl a-1 day-1的速率生成r。(2)细菌活动目前，只有少量的研究关注细菌对103一的还原。Tsunogai&Sase5l】发现几种硝酸盐还原细菌及具有硝酸还原酶活性的Escherichia coli细胞提取液能够还原103一。结合Sugawara&Terada451的研究结果，他们提出海洋浮游植物及细菌中的硝酸还原酶是参与103一一I一还原的酶，然而此后并没有研究者用细菌对这一假设进行验证。Desulfovibrio desulfuricans ATCC 29577152J和Shewanella oneidensisMR4【53】也能够在厌氧条件下还原103一，但研究者没有测定参与103一一r还原的酶的种类和活性。总的来说，目前被证实具备103一一r还原能力并用于培养实验的细菌种类非常有限，因此人们对海洋细菌103一_l一还原的生理及生物化学机制南海生态系统中碘的生物地球化学行为研究仍了解不深。比如，目前还无法确知细菌的103一一r还原是否是一个异化过程，对促进该还原反应的关键酶的了解仍知之甚少【21。(3)硫化物Zhang&Whitfield54】的研究发现，103-很容易被HS一还原，其初级反应(反应式2)为：5HS-+2103一+7H+厶+5S+61-120 (2)该反应速率甚至大于硫化物与氧分子的反应速率，可想而知在富氧水体与缺氧水体发生混合时(如河口沉积物被潮流搅动或层化水体发生混合)将产生非常可观的碘分子12来源。碘分子12一旦形成，极易进一步水解生成有机碘化合物或通过歧化反应生成次碘酸盐、103一和1-ss,561。此外，碘分子12也可以与二硫化物、多硫化物、亚硫酸盐以及硫代硫酸盐反应生成1-571。Truesdale等241根据其在Skagerrak海峡的现场观测结果进一步提出假设，认为近岸海域的海水在潮流的影响下被注入缺氧沉积物上边界层时将发生强烈的103一还原，甚至打破碘形态分布与浮游植物生长季节性变化之间的耦合。但由于该反应机制特殊的化学环境限制，它并不适用于解释开阔大洋表层水体中的r富集。(4)光化学反应意识到表层r峰值区域与强光照区域基本重合后，有研究者提出103一_r的光化学还原也可能是近岸及开阔大洋表层水体出现r峰值的一个重要原因。最初，Jickells等【171设想103一在硝酸盐的光化学还原过程(初级反应为N03-被激发为N02一和氧原子O，随后N03一与O反应生成N02-和02)中与N03一产生竞争，优先与激发原子O反应生成与N02-结构相似的中间产物102-(反应式为坞一+D一02一+q)，并最终降解为02和r从而导致表层水体r浓度的升高。但由于硝酸盐光化学还原初级反应所产生的激发氧原子O含量极低，Spokes&Lissl58】认为该反应机制对解释表层水体I-富集的贡献微乎其微。随后，他们在实验中引入有机物(腐殖酸)为媒介，探讨有机物如何影响103一_r的光化学还原。他们的实验结果显示：1)只有存在有机物的实验组生成了r，但r生成量与103一消耗量没有呈现出1：l的关系；2)开始观测到r生成的时间比紫外照射起始时间滞后了两小时。为了解释其实验结果，他们推测：1)有机物不只是该反应过程的催化剂，而是直接参与反应并成为一个限制因子，从而导致r6第一章绪论生成量与103一消耗量不相关，或者是因为103一和r分析方法的精度及检测限不同而导致这一实验结果；2)I一的生成滞后于紫外照射起始时间可能是由于生成r并非直接的一步反应，而是通过连续的两级反应完成的。Wong&Cheng59】贝4进一步直接将含碘有机物(即DOI)作为研究对象，探讨其光化学降解。溶解有机碘(DOI)在近岸水体中常达到很可观的浓度，并随离岸距离增加而急剧降低。近岸水体及开阔大洋水体是一个连续体，可推知在表层水体的停留时间内必然发生了DOI_无机碘的转化。溶解有机碘(DOI)中的CI键及C-N键键能分别仅为209及159 KJmol。实际上，C-I键的键能与波长550 nnl光子的能量相当。因此，太阳光谱中大部分的光子都足以引起真光层中DOI的光化学降解。Wong&Chengt591证实DOI在自然光照条件下确实发生了光化学降解，每摩尔DOI被转化成大约1 tool 1-，且DOI的消耗及I一的生成速率直接与光照强度呈正比例，也就是说光化学反应产生的r是来自DOI而非103一。这也为Spokes&Lisst58】发现I一生成量与103一消耗量不相关提供了更合理的解释。DOI的这一光化学降解可用一级反应公式表示：dDOId(Ir)=kD01，或lnDOI_k(Sr)+lnDOqo，一级反应速率常数在一O2一O6 k旷1 h_1范围内。根据该公式可计算得出DOI在05l kW m之光照强度(无云天的中午时段)下的半衰期仅为数小时。那么，在DOI含量很高的近岸海域，其光化学降解能够产生的r量是非常可观的。(b)I一的氧化(去除)虽然表层水体的碘系统严重偏离了热力学平衡以致高达50的溶解碘以r形式存在，而且从浅海输入的一部分颗粒态碘也会矿化为1-11,60】，但是在表层水以外的庞大水体中仍是103一占绝对优势，说明水体中必然发生r_103一的转化。(1)热力学及光化学途径I一_103一的转化分为两步进行，即I一一12和12_103一。海水的弱碱性不利于I一一12的转化。此外，Luther等运用前线分子轨道理论对海水中r_12-q03一的热力学和光化学反应进行检验，发现海水中氧化剂太少及其反应活性太低(甚至可忽略不计)的特性也强烈限制I一的热力学及光化学氧化，它们可能只发生在拥有强烈紫外照射(反应式3)和强氧化剂(如H202(反应式4)、03(反应式5)、02(反应式3)等)的海气界面。7南海生态系统中碘的生物地球化学行为研究2厂+O5q+卫D与厶1+20-一I一+Hp2_Hoi+OH一21一+Q+2日+厶个+q+皿D(3)(4)(5)2+OH一一月饼+I一 (6)12一旦形成，迅速水解生成HIO(反应式6)，而HIO可以自发进行歧化反应生成103一，最终完成r_103一的转化。由于第一步的r_12限制了整个氧化过程的速率，化学途径对r氧化的贡献非常小。Tmesdale【62】估算热带表层水(以200nM 1-进行计算)中r相对其光化学氧化的周转时间长达29个月。(2)细菌活动直至目前，关于海水中r氧化的生物调控的研究非常少，且主要集中在细菌的作用上。1968年，Gozlan从实验室养殖鱼类的海水中分离出一种“r氧化”细菌Pseudomonas iodooxidans，并在随后的研究中发现这种异养细菌是通过细胞外过氧化物酶以H202为电子受体将r氧化成12的【6364。然而，r氧化的研究在此后的很长时间内都处于空白状态。直至最近，Fuse等【651从海水样品中分离出两种与Roseovarius tolerans很相近的海洋细菌，它们通过细胞外氧化酶(而非过氧化物酶)将r氧化成12以及挥发性有机碘化合物如CH212、CH2CII及CHIs。仅有的这些研究结果显示，细菌只在r_103一的第一步反应(r-12)中起作用。在现场观测方面，Truesdale掣661用箱式模型(box model)对黑海的碘进行分析并提出“硝化假说”，推测r的氧化与细菌的硝化作用并行。而Zie等167-69在蓝洞水系(anchialine systems)发现表层水体的103一高值与高再生NOs-浓度在时间上吻合，静水层中部出现的lOs一的生成与细菌的硝化作用吻合，这些结果对“硝化假说”提供了有力的支持。12研究内容总的来说，随着碘元素对人类健康、放射生态学等的重要影响逐步被发现，近年来对碘的生物地球化学循环的研究正在逐步增多，因此对海洋生态系统中主要碘形态的相互转化的认知也正在逐渐加深，比如，科学家们更深刻地意识到细8第一章绪论菌在碘循环中扮演重要角色；I一的氧化也是海洋中普遍发生的转化过程；海气界面碘的行为间接影响全球气候；等等。由于缺乏对103一一I一和I一_103一机制的充分认识，目前仍无法对海洋中碘的循环进行准确的模拟。开展越来越多的碘调查是必需的。与开阔大洋相比，边缘海的水文条件和生化特征都更为多变，因此也可能提供更多的机会来了解碘系统在不同约束条件下的行为【7 01。目前，国内学者对海洋生态系统中的碘的研究报道非常少，就我们文献搜索的结果，最早关于碘的研究为程先豪等【7l】对西太平洋及邻近海域碘的地域性分异进行了调查，林新华等【72】对海水中碘的测试分析方法进行了探索。有关中国边缘海中碘的报道则只有Wong等m 741对东海的碘进行观测。中国的边缘海域面积广阔，且拥有较为复杂的水化条件，特别是南海这样一个处在热带与亚热带、理论上103一与r相互转化十分活跃的海区，其中的碘循环必然是全球碘循环的重要组成部分。南海复杂的地形、经由吕宋海峡的水体交换以及东亚季风的影响使其具备一些与普遍的热带和亚热带海区不同的特质。在南海开展碘研究将有可能扩展我们对全球海洋碘循环的认识。本研究同时从室内培养和现场观测两个方面开展工作，研究内容为：(1)用杜氏盐藻进行室内培养实验，观察杜氏盐藻在不同碘浓度条件下的生长状况，并测定培养过程中无机碘(It33-与r)以及氮盐的浓度变化，以期了解杜氏盐藻对碘的吸收以及对其形态的调控，并估算其IN和IC吸收比例；(2)2009年5月至2009年6月，依托中国科学院南海海洋研究所南沙综合科学考察和科技基础性工作专项南海断面科学考察项目，对整个南海海域进行西南季风期的现场观测和样品采集，并测定溶解氧、营养盐、叶绿素和初级生产力和溶解无机态碘等项目，探讨南海碘的分布模式、上层水体碘的形态与叶绿素和初级生产力的关系、碘对中尺度涡旋的响应以及碘的垂直输运和再矿化。9第二章杜氏盐藻对海水中无机碘(103-与I-)的调控碘是一种亲生物元素，在藻类、甲壳类动物和脊椎动物中均有富集。海洋中碘的垂直分布模式与生物调控型元素(如Ca、C等)相似，在表层有轻微的亏损，这通常被认为是生物吸收所致【10,11】。此外，虽然热力学计算结果表明103一是现代氧化性海水中碘的唯一稳定态【14，”】，但表层海水中的碘系统却普遍偏离了这一热力学平衡，特别是在热带、亚热带表层水体以及温带近岸水体中有高达50的碘以r形式存在【loII,16-20i，这也被很多研究者认为是缘于生物活动的调控。更有研究表明，海洋藻类释放的碘蒸汽参与海洋边界层气溶胶的生成，并进一步形成云凝结核(cloud condensation nuclei)，从而影响大气氧化能力和全球辐射平衡3-6。因此，研究海洋藻类对碘形态的调控具有重要的环境意义。1947年，Egami and Sato发现氯酸根离子由于其结构与N03一非常相似，能够被硝酸盐还原酶还原成亚氯酸根【43】。同为卤族元素的I的103-_r还原反应速率虽不及氯酸根的还原反应速率，但大于N03-的还原反应速率，因此硝酸盐还原酶也能够将103一还原至r144】。硝酸盐还原酶是浮游植物同化吸收N03-N的必需物质。受此启发，研究者们开始用室内藻类培养实验来验证碘形态对浮游植物生长调控的响应，但早期的研究并没有取得一致的结果。研究者们发现，并不是所有的藻类都吸收碘并能够促成103-_r还原，而且不同藻类的还原效率也有明显差异；甚至不同研究者涉及同种藻类的培养实验得出完全相悖的结果【454明。另一方面，如果硝酸还原酶确实是参与103一_r还原的酶，那么103一相当于初始反应物N03一，ri,j相当于产物N02-，培养过程中氮盐的变化可能对藻类的103一_r还原有一定的指示意义，但以往的研究并没有测定培养液中营养盐的变化。本文以对环境变化较为敏感的杜氏盐藻(Dunaliella tertiolecta)作为实验材料，研究了杜氏盐藻在不同碘浓度条件下的生长状况，并测定培养过程中无机碘(103-与r)以及氮盐的浓度变化，以期了解杜氏盐藻对碘的吸收以及对其形态的调控，并估算其IN和IC吸收比例。10第二章杜氏盐藻对海水中无机碘(103-与I_)的调控21材料与方法211微藻培养实验藻种选用杜氏盐藻(Dtertiolecta)，取自中科院南海海洋研究所海洋生物资源可持续利用重点实验室。本实验培养基采用f20营养盐配方，以人工海水配置。培养容器为1500 mL锥形瓶，培养基体积为1000 mL。实验设置两种起始碘浓度：Level 1含103300 nmolL及I一150 nmolL(接近热带、亚热带海洋表层水体的浓度水平)；Level 2保持I一浓度不变，将103一浓度提高至4500nmolL。每一浓度设置3个平行样(图中分别编号为A、B、C)；Level 1设置2个空白对照组(图中标为CA和CB)，Level 2设置1个空白对照组(图中为Contr01)。除培养基采用022 lam滤膜过滤法除菌外，所有实验器具均使用LDZX40SBI型蒸汽灭菌器进行高温灭菌(设定温度为121，持续时问为20min)。在超净工作台中严格按照无菌操作程序进行接种后，将藻放入RXZ型智能人工气候箱中培养，设置条件为：温度(24 4-10)，光照126mol(m2s)，湿度60RH，光暗周期为141 0 h，每天摇瓶34次，共培养19 d。212藻细胞数测定奇数日(以接种日为第l天)固定时间段取样，用LugolS试剂固定染色后采用浮游植物计数框(中国科学院武汉水生生物研究所)测定藻细胞数。实验使用Nikon YSl00显微镜，通过DT2000图像采集软件采集计数区图像后准确统计藻细胞数，每个样本采集3次计数取其平均值。213培养基营养盐及碘浓度测定在每次取样测定藻细胞数的同时，移取50 mL培养液用Nalgene过滤器及O45 um微孑L滤膜过滤，收集滤液于聚乙烯瓶中，当天完成营养盐以及103一和I一的测定。营养盐和碘的取样及测定过程中接触的器具都严格经过10盐酸酸洗处理。硝酸盐、弧硝酸盐和铵盐按照l1华人民共和国国家标准海洋监测规范(GBl73782009)进行测定。103一和I一的测定仪器为797 VA Computrace极谱仪(瑞士万通Metrohm)。103-通过微分脉冲极谱法测定，I一通过阳极溶出方波伏安法测定。103一和r测定方法的详细介绍参见本论文第一t章。南海牛态系统中碘的生物地球化学行为研究22结果与讨论221杜氏盐藻在两种碘浓度条件下的生长情况图2 l为杜氏盐藻在两种碘浓度条件下(Level l：103300 nmolL，I 150nmolFL；Level 2：103 4500 nmolL，r l 50 nmolL)的生长曲线。两者的区5jI|在于指数生&期长度及达到的最大藻细胞数：在接近天然表层海水碘浓度的Level I培养液中，杜氏盐藻在第13 d进入平台期，最大藻细胞数为20000 CellsmL左右：而在103一浓度提高至4500 nmolFL的Level 2培养液中，杜氏盐藻在第15 d才结束指数生长期，并以更高的藻细胞数接近25000 CellsmL)进入平台期。再将指数生长期细分为前期(1-9 d)和后期来看，会发现在杜氏盐藻指数生长期的前期，不论是在接近天然表层海水碘浓度条件下还是在提高至4500 nmolLIO，一的条件F，杜氏盐藻的生长情况并无二致，说明高浓度103一并没有抑制杜氏盐藻的生长；二者的差别出现在指数生长期后期：Level 1条件下的藻细胞数增长更迅速，但也更早地结束其指数生长期，而Level 2条件F的藻细胞数虽然增长速率稍低于前者，但其增长时间延续得更长，达到了更大的藻细胞数。也就是蜕，提高至天然值l 5倍的103一浓度不仅不会抑制杜氏盐藻的生长，反而稍有促进作用。实际上，结合碘浓度的数据结果可知天然碘浓度条件下的杜氏盐藻并没有完全消耗其中的碘证明该浓度下的碘足以支持培养液中杜氏盐藻的生长，那么高浓度103一对杜氏盐藻生长的促进作用并不能单纯地归因于提供了更充足的碘源，确切原因有待进一步研究。然而，如此高浓度的10，一仍投有限制杜氏盐藻的生长，说明该高浓度103一对杜氏盐藻细胞的新陈代谢活动没有毒性。”i 1一 ZI 3 5 7 9 li n 15 17 l 1 3 s 7 9 lll3 15 17 19n_v Day图2 l两种碘浓度条件下杜氏盐藻的生长曲线(左为Level 1，右为Level 2】第二章杜氏盐藻对海水中无机碘(103-与I一)的调控Figure 21 Growth curves of Dtertiolecta in Level 1(1eft)and Level 2(right)media222培养液中氮盐的变化将培养基中氮盐在培养初始时的浓度与培养结束时的浓度相减，近似计算出培养过程中杜氏盐藻对氮盐的吸收量：两种碘浓度条件F杜氏盐藻对氮盐的吸收量分别为7539 gmolL和8045 pmolL。Level 2培养液中杜氏盐藻达到的最大藻细胞数稍高于Level 1，因此氮盐的消耗量也稍高。氮盐的吸收量只占氮盐初始量的10左右，说明培养液中的硝酸盐(培养基配方是以硝酸盐为唯一氮源)充足。培养过程中亚硝酸盐浓度的变化如图22所示，两种碘浓度条件下亚硝酸盐浓度水平相当且变化趋势非常相似，均是先稳步上升，然后在指数生长期后期出现短暂的下降，进入平台期后又以更快的速率递增。总的来说，培养基中哑硝酸盐浓度呈现逐步增加的趋势，与文献中报道的以硝酸盐为氮源条件下培养基中哑硝酸盐浓度随藻类生长而增加的结论相一致黔7 71。亚硝酸盐的释放主要是由于藻体内的硝酸盐、亚硝酸盐的运输和还原H现了不iF衡之后的自我调节。硝酸盐住植物体内的代谢首先是被硝酸还原酶还原为皿硝酸盐，接着被亚硝酸还原酶还原为铵盐，然后通过谷氨酸合成酶的作用合成有机物。其中硝酸还原酶把硝酸盐还原成亚硝酸盐的过程是整个硝酸盐同化过程中的限速步骤，因此一般情况下植物细胞内亚硝酸盐不会堆积【7 81。但是由于硝酸还原酶和哑硝酸还原酶本身的区别(硝酸还原酶主要位于胞质中，和硝酸盐的载体相连接；亚硝酸还原酶位于叶绿体中，和光牛成的铁氧还原蛋白关系密切)以及调节这两种酶活性的凶素不完全一样，或者相同的凶素对两者产生的效果不同，两种酶的活性在某些条件下会出现较大差别，从而造成藻体内哑硝酸盐的堆积并向培养液中释放i嘲诮酸盐以避免或缓解体内过高亚硝酸盐浓度对藻细胞白身的毒害性77】。硝酸还原酶是一种底物诱导酶，高的硝酸盐浓度能诱导更高的硝酸还原酶活性【79801，培养基中充足的硝酸盐以及逐步升高的硝酸盐浓度说明硝酸盐诱导了杜氏盐藻很高的硝酸还原酶活性，生成的亚硝酸盐甚至超出了杜氏盐藻的需求量，大1此fi断向培养基中释放i舷硝酸盐。13南海生态系统中碘的q：物地球化学行为研究套 矽若，一1 3 5 7 9 1l 13 15 17 19 1 3 5 7 9 11 i3 15 17 19Day Day图2 2两种碘浓度条件下培养基中亚硝酸盐浓度的变化(左为Level 1右为Level 2)Figure 2 2 The variations ofnitrite concentraIion in Level l(1eft)and Level 2(fight)media223培养液中I仉一_I_的转化两种碘浓度条件下培养液碘形态随时间的变化趋势如图3、4所示。需要注意的是，实验观测结果显示的是碘各个形态的净转化量i实际E每个形忠的转化量都有可能大于观测值，但由于其同时生成与消耗，所以舰测到的净转化量可能比实际值小得多。在接近天然表层海水碘浓度的Level 1培养液中，103一浓度比空白对照绁低说明杜氏盐藻的生长促使了培养液中lO，一的消耗。IO，一随时间的变化趋势几乎是线性减小，与杜氏盐藻生长阶段无关。将3个平行样取平均，锋出IO，一浓度下降速率约为3 nmolHL d)(R2=o 929)，至培养结束时其亏损量约为50 nmol，占仞始浓度的16 7。然而，103一的亏损并没有件随着r浓度的升高，反晰舟杜氏盐藻增长最快的阶段(第弘11 d)I浓度低于窀白对照组似乎暗Hi杜氏盐藻同时吸收了103一和I，闳此叩使足杜氏盐藻的生长促使了IO 3一_r还原反应的发生几生成的I也不足以在培养液iIi累秘下来。这与硅藻的研究结果类似：巾于硅蕊县各吸收I的能力，崮此其生长阶段还原103一所产生的r在水休-p的累积量将夫为减少l。虽然实验没有观测到接近天然碘浓膛条件下培养液中l一的富集仉删测到的IO，一的亏损速率证明藻类具各导致表层海洋。I10 3-的亏损的能力。另外，j丘期育研宄提出一些藻类的培养过程r1的最人生成速率出现卉=衰退期，即细胞坫”：=功坫帖【1，IoE3一m_c#z第二章杜氏盐藻对海水中无机碘(IO，吁I)的调控消亡过程巾向水体中释放，i-I“I。那么J_的