（海洋化学专业论文）东、黄海荧光溶解有机物质及其与环境因子关系的研究.pdf

东、黄海荧光溶解有机物质及其与环境因子关系的研究 摘要 海洋溶解有机物质d o m 参与海洋中的许多物理、化学和生物作用，对认识 海洋环境中所发生的各种过程具有重要意义，荧光性质是海洋d o m 的重要光 学性质之一。本文通过对东、黄海水体中溶解有机物质荧光特征( 即荧光溶解有 机物质f d o m ) 与河流输入、浮游植物增值、以及与其他相关环境因子关系的 研究，得到了一些初步结论： ( 1 ) 2 0 0 5 年春季东海硅藻赤潮爆发水体，溶解有机物质荧光激发发射矩阵 光谱( e e m s ) 包括高和低激发波长类酪氨酸荧光峰( b 和d ) 、类色氨酸荧光峰 ( t 和s ) 和紫外腐殖质荧光峰( a ) 。 ( 2 ) 2 0 0 6 年春季东海溶解有机物质荧光激发发射矩阵光谱只包括高激发波 长类酪氨酸荧光峰( b ) 、低激发波长类色氨酸荧光峰( s ) 和紫外腐殖质荧光峰 ( a ) 。 ( 3 ) 2 0 0 5 和2 0 0 6 年春季，溶解有机物质荧光强度在东海表层的分布趋势均 为近岸高，远海低，其主要来源为陆地径流输入。两个航次中，荧光溶解有机物 质的垂向分布较复杂，受陆源输入、现场浮游植物和沉积物来源的影响。另外， 荧光溶解有机物质的分布一定程度的反映了水体中d o m 的分布。 ( 4 ) 在东海，类蛋白和类腐殖质荧光强度与叶绿素a 含量的相关性在整体上 均较差，即使是在赤潮发生期间浮游植物量对溶解有机物质荧光特征的影响不明 显，表明在受陆地影响较大的近岸海域，f d o m 主要来源于陆地径流输入，而 受生物量的影响较小。溶解有机物质荧光强度与盐度呈负相关关系，表明了陆源 输入的影响，而局部存在的现场来源和去除途径导致了二者不完全呈线性相关。 类腐殖质荧光强度与营养盐的关系表明f d o m 和营养盐在近岸海域经历着不 同的地球化学过程。 ( 5 ) 2 0 0 6 年春季黄海溶解有机物质荧光激发发射矩阵光谱包括高和低激发 波长类酪氨酸光峰( b 和d ) 、类色氨酸荧光峰( t 和s ) 和紫外腐殖质荧光峰( a ) 。 荧光强度分布特征为近岸高，远海低，其分布和来源主要由春季黄海水团配置所 控制。 ( 6 ) 围隔实验，对照组和各加富组中营养盐初始添加浓度不同，藻类生长情 况也各不相同，但各组中，溶解有机物质荧光峰峰位置和强度的变化趋势相似： 在围隔培养初期，存在高和低激发波长类酪氨酸荧光峰( b 和d ) 、低激发波长 类色氨酸荧光峰( s ) 和紫外腐殖质荧光峰( a ) ；随着围隔实验的进行，各荧光 峰强度不断增大，而且高激发波长类酪氨酸荧光峰( b ) 位置发生红移；到第六 天时三种荧光峰( b 、s 和a ) 的强度达到最高值，此时均对应浮游植物量相对 较高值，并且开始出现高激发波长类色氨酸荧光峰( t ) 和可见腐殖质荧光峰( c ) ； 而后，类酪氨酸荧光峰消失( b 和d ) ，而其余荧光峰强度逐渐降低。高和低激 发波长类蛋白荧光可以独立变化。另外，溶解氧和p h 对类蛋白和类腐殖质荧光 峰峰位置和强度的影响较小，荧光可以很好的指示溶解有机物质的性质。 关键词：荧光溶解有机物质，荧光激发一发射矩阵光谱，类蛋白荧光，类腐殖质 荧光，围隔实验 s t u d yo ff iu o r e s c e n td is s oir e do r g a ni0m a t t e ra n d t sr e i a t i o n s h i pw i t he n v ir o n m e n t a if a c t o r si n e a s tc h i n as e aa n dy e l l o ws e aw a t e r s a b s t r a c t d i s s o l v e do r g a n i cm a t t e rp l a y s 锄i n t e g r a lr o l ei ns h a p i n ga q u a t i cs y s t e ma si t d i r e c t l ya n di n d i r e c t l yi n f l u e n c e st h ep h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a lp r o c e s s e so f t h eo o 七a n a n df l u o r e s c e n c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n to p t i c a lp r o p e r t i e so fd o m i ns e a w a t e r n 坞f l u o r e s c e n c ec h a r a c t e r i s t i c so fd o mi ne a s tc h i n as e aa n dy e l l o w s e aa n dt h e i rr e l a t i o n s h i pw i t ht e r r e s t r i a li n p u t s ，p h y t o p l a n k t o nm u l t i p l i c a t i o na n d o t h 盯e n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa r er e s e a r c h e di nt h i st h e s i s t h em a i nr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x c i t a t i o n - e m i s s i o nm a t r i xs p e c t r ao fe a s tc h i n as e aw a t e r sd u r i n g 2 0 0 5s p r i n gp h y t o p l a n k t o nb l o o mc o n t a i n sb o t hh i 曲a n dl o we x c i t a t i o n - w a v e l e n g t h t y r o s i n e - l i k ep e a k s a n dd ) ，t t y p t o p h a n - l i k ep e a k s 盯a n ds ) a n du vh u m i e - l i k e p e a k ( 舢 ( 2 ) w h i l et h ee x c i t a t i o n e m i s s i o nm a t r i xs p e c t r ao f e a s tc h i n as e aw a t e r sd u r i n g 2 0 0 6s p r i n go n l yc o n t a i n sh i 曲e x c i t a t i o n - w a v e l e n g t ht y r o s i n e - l i k ep e a k ( b ) 、l o w e x c i t a t i o n - w a v e l e n g t ht r y p t o p h a n - l i k ep e a k ( s ) a n du v h u m i e - l i k ep e a k ( 3 ) i ns u r f a c ew a t e r s t h ed i s t r i b u t i o np a t t e r n so ff d o mi ne a s tc h i n as e af o r b o t hy e a r sa r et h es a m e ：f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t i e sa r eh i g h e ri nt h ec o a s t a la r e a sa n d d e c r e a s et o w a r do u t e rs e a , i n d i c a t i n gs t r o n gt e r r e s t r i a li n f l u e n c e s ；w h i l et h e d i s t r i b u t i o n sa n ds o n r c a g so ff d o mi nt r a n s e c t sa r ec o m p l e x ，h a v eb o t hi n f l u e n c e so f t e r r e s t r i a la n di ns i t up r o d u c t i o nf r o mp h y t o p l a n k t o na n ds e d i m e n tr e l e a s e s a n dt h e d i s t r i b u t i o no f f d o mr e f l e c t st h a to f d o mt os o m ee x t e n t s ( 4 ) t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf l u o r e s c e n c ei n t e n s i t i e sa n dc h l ac o n c e n t r a t i o n sa r e p o o re v e nd u r i n gt h ep h y t o p l a n k t o nb l o o m ，w h i c hi m p l i e st h a tt h el e v e lo fi ns i t u p r o d u c t i o no ff d o mb yp h y t o p l a n k t o ni sv e r ys m a l lw i t hr e s p e c tt o t h e s t r o n g t e r r e s t r i a li n f l u e n c e s t h er e a s o n a b l en e g a t i v ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nf d o ma n d i i i s a l i n i t i e ss u g g e s tt e r r e 心i a li n p u t sa st h em a i ng o u r c c s ，w h i l et h er a n d o mi ns i t u p r o d u c t i o na n ds i n k sd e s 仃o yt h ec o n s e r v a t i v em i x i n gc l l r v eo ff l u o r e s c e n c ea n d s a l i n i t y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh u m i c - l i k ef l u o r e s c e n c ea n dn u t r i e n t si n d i c a t e st h a t t h e yh a v er a t h e rd i f f e r e n tg e o c h e m i c a lp r o c e s s e si nc o a s t a ls e aa r e a s ( 5 ) t h ee x c i t a t i o n - e m i s s i o nm a t r i xs p e c t r ao fy e l l o ws e aw a t e r sd u r i n g2 0 0 6 s p r i n gc o n t a i n sb o t hh i g ha n dl o we x c i t a t i o n - w a v e l e n g t ht y r o s i n e - l i k ep e a k s ( ba n d d ) ，t r y p t o p h a n - l i k ep e a k sc l ra n ds ) a n du vh u m i e - l i k ep e a k t h ed i s t r i b u t i o n p a t t e r n s o f f d o m i n y e l l o w s e a a r e c o n t r o l l e d b y i t s w a t e r m a s s e s d i s t r i b u t i o n ( 6 ) d e s p i t et h ed i f f e r e n c e so fn u t r i e n t sc o n c e n t r a t i o n sa n da l g a eg r o w t h s t h e c h a n g e so ft h ep e a kp o s i t i o n sa n dt h ei n t e n s i t i e sa r et h es a m ei ns e r i e so fm e s o c o s m e x p e r i m e n t s ：h i 曲a n dl o we x c i t a t i o nt y r o s i n e - l i k ep e a k s 圆a n dd ) ，l o we x c i t a t i o n t r y p t o p h a n - l i k ep e a k ( s ) a n du vh u m i c - l i k ep e a ke x i s tf r o mt h eb e # n n i n go ft h e c u l t i v a t i o n s ；t h e i ri n t e n s i f i e sc o n t i n u et oi n c r e a s ea n da tt h es s m et i m et h ep 蚀l c p o s i t i o n so fh i g he x c i t a t i o nt y r o s i n e - l i k ep e a k0 3 ) r e ds h i f t 船t h ee x p e r i m e n t s p r o g r e s s ；h i g he x c i t a t i o nt r y p t o p h a n - l i k e a n dv i s i b l eh u m i c - l i k e ( c ) p e a k sa p p e a r o nt h e6 恤d a ya n da l lt h ep e a ki n t e n s i t i e sr e a c ht h e i rh i g h e s tl e v e lw h e r et h e ya l l c o r r e s p o n dt oam u c hh i g h e rc h l ac o n c e n t r a t i o n s ；a f t e r w a r d s ，t y r o s i n e - l i k ep e a k s ( b a n dd 、d i s a p p e a ra n da l lt h eo t h e rp e a ki n t e n s i t i e sd e c r e a s e ；t h eh i g ha n dl o w e x c i t a t i o np r o t e i n - l i k ep e a km a y v a r yi n d e p e n d e n t l y d i s s o l v e do x y g e na n dp hh a v e n oa p p a r e n ti n f l u e n c e so np e a kp o s i t i o n sa n di n t e n s i t i e so ff d o m f l u o r e s c e n c e 眦 i n d i c a t ed o m i d e a l l 弘 k o yw o r d s ：f l u o r e s c e n td i s s o l v e do r g a n i em t t e r ：e x c i t a t i o n - o r a l s s i o n m a t t i x s p e c t r a ；p r o t e i n - ii k ef l u o r e s c e n c e ；h u m i o - ii k ef l u o r e s c e n c e ； m e s o c o s m i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或 其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：灸锄苏眨签字日期：九可年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：云钮j 孟身主 导师签字： 夏妒峙 签字日期：少呷年月7 日签字日期：伊7 年廊 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 1 文献综述 海洋中溶解有机物质( d o m ) 的含量虽然很低，但它参与海洋中许多物理、 化学和生物作用，对认识海洋环境中所发生的各种过程具有重要意义( b r i c a u de t a , 1 9 8 1 ；b e r a d te t 口厶1 9 9 6 ；d i a m o n de ta l , 2 0 0 0 ；w i l l i a m s o ne t4 厶2 0 0 1 ) 。但是从 海水中富集d o m 的过程需要大量的样品，耗时长，容易引入污染，并且会改 变物质的原始组成，因而限制了可以采集的样品数量，也不便于对有机物质的短 期变化进行系统分析( c o b l e 1 9 9 6 ) 。 ， 荧光性质是海洋d o m 的重要光学性质之一，但并不是所有的d o m 都能 发射荧光。海洋溶解有机物质中吸收光后又能发射荧光的物质称为荧光溶解有机 物质( f l u o r e s c e n t d i s s o l v e d o r g a n i c m a t t e r , f d o m ) 。荧光光谱法因操作简便、灵 敏度高、选择性好，且不需对目标物进行分离预处理等优点已被广泛应用到海洋 荧光溶解有机物质的研究中。自从k a l l e ( 1 9 4 9 ) 的先驱性工作以来，类腐殖质 荧光一直是海洋溶解有机物质荧光性质的研究焦点，大多数研究将，类腐殖质荧 光作为河流输入有机碳的示踪剂( k a l l e , 1 9 4 9 ；s m a r te ta l , 1 9 7 6 ) ，用于研究河1 2 1 混合过程( l a a l l ea n dk r a m e r ，1 9 9 1 ) 以及示踪不同水团( c o b l e ，1 9 9 6 ；d es o u z a s i e r r ae t a l ，1 9 9 4 ) 。c o b l e 等( 1 9 9 0 ) 对海洋溶解有机物质的类蛋白荧光做了报道 之后，海洋溶解有机物质类蛋白荧光性质的研究引起了广泛的关注。研究表明， 类蛋白荧光强度与其水体中相应的氨基酸浓度呈良好的正相关关系，类蛋白荧光 可以指示水体中氨基酸的相对含量和分布o r a m a s h i t aa n dt a n o u e ，2 0 0 3 ) 。 目前，国内也开展了这方面的研究工作，季乃云等( 2 0 0 5 ) 研究了胶州湾溶 解有机物质的荧光特征及其与浮游植物增殖、河流输入及其他环境因子的关系， 蒋风华等( 2 0 0 6 ) 探讨了溶解有机物质荧光性质在污染物迁移过程中的应用价 值，但总体上，缺少对我国近海溶解有机物质荧光特征的系统研究。 1 1 海洋荧光溶解有机物质的定性与定量 1 11 荧光溶解有机物质的定- 陛 ( 1 ) 类蛋白荧光 不同的荧光物质或荧光基团存在特定的激发和发射波长，根据激发和发射最 大波长的位置可以确定荧光物质或荧光基团的存在，从而实现对物质的定性分 析。 文献报道中，海水d o m 的荧光性质，主要存在两种，分别为类腐殖质荧光 ( h u m i c - l i k e ，o rg e l b s t o f f ) ( k a l l e ，1 9 4 9 ；d es o u z as i e r r a 耐4 1 9 9 4 ；c o b l e 甜a , 1 9 9 0 ；c o b l ea n ds c h u l t z ，1 9 9 3 ；m o p p e ra n ds c h u l t z ，1 9 9 3 ) 和类蛋白荧光 ( p r o t e i n - l i k e ) ( d es o u z as i e r r a 甜a , 1 9 9 4 ；c o b l ee ta l , 1 9 9 0 ；c o b l ca n ds c h u l t z , 1 9 9 3 ；m o p p e ra n ds c h u l t z ，1 9 9 3 ) 。 天然蛋白质中具有荧光特性的芳烃基氨基酸主要包括色氨酸、酪氨酸和苯丙 氨酸，它们的相对荧光强度分别为1 0 0 、9 和o 5 ( 夏锦尧，1 9 9 2 ) 。苯丙氨酸荧 光强度极低，因此只能检测到色氨酸和酪氨酸荧光特征峰。标准氨基酸酪氨酸和 色氨酸各自高( h i g h ) 和低( l 0 w ) 激发波长处的荧光峰峰位置如表1 - 1 和图i - 1 所示( m a y e re t a l , 1 9 9 9 ) 。海洋溶解有机物质在这些位置出现的荧光峰，分别称 为类酪氨酸( t y r o s i n c _ l i l ( e ) 和类色氨酸( t r y p t o p h a n - l i k e ) 荧光峰，总称为类蛋白 荧光峰。 表i - i 标准氨基酸荧光激发和发射波长 惹 圈i - i 标准酪氨酸( a ) 和色氨酸( b ) 荧光峰 ( 2 ) 类腐殖质荧光 海水中的腐殖质包括腐殖酸0 a u m i ea e i d ) 和富里酸( f u v i ca c i d ) 等，均为复 杂分子混合物，其组成随来源而异，很难用单一结构表达。腐殖酸的芳香性高于 富里酸( h a r v e ye ta t , 1 9 8 3 ) ，腐殖酸和富里酸的红外光谱、紫外光谱及核磁共振 谱分析结果显示二者的结构十分相似( h a r v e ye ta t , 1 9 8 3 ；h a t c h e re ta t , 1 9 8 0 5 。 有研究表明，腐殖酸比富里酸荧光激发和发射波长红移( s i e r r ae ta t , 2 0 0 5 ) ，但也 有研究表明二者荧光峰的位置很难区分( h e re t 口厶2 0 0 3 ) 。陆源和海源腐殖质结 构有所不同，后者的芳香性较小( 高洪峰等，1 9 9 6 ) 。然而二者荧光峰之间并没 有绝对的界限。通常，海洋溶解有机物质类腐殖质荧光主要包括a 、c 和m 三 种荧光峰( c o b l e , 1 9 9 6 ；p a d a n t ie ta t , 2 0 0 0 ) 。这三个荧光峰来源于不同的荧光基 团或荧光物质，来源不同的腐殖质这三种荧光峰峰位置和相对强度并不相同，且 三种荧光峰之间是可以独立变化的( c o b l e ，1 9 9 6 ；p a t e l - s o r r e n t i n oe t4 厶2 0 0 2 ) 。其 中，m 峰被看作是海洋腐殖质所特有的荧光峰来区分不同来源的水体( d es o u z a s i e r r ae ta t , 1 9 9 4 ) ，但它与c 峰之间并没有绝对的界限，二者之间的区分存在人 为因素( c o b l e e t a t , 1 9 9 8 ) 。主要的海洋类蛋白荧光峰与类腐殖质荧光峰峰位置如 表1 - 2 和表1 3 所示。 除了这些主要的荧光峰外，其他的荧光峰也见有文献报道，如荧光峰n ( e x e m = 2 8 0 n m 3 7 0 n m ) 和p ( e x e m = 3 9 8 n m 6 6 0 n m ) ，n 峰的来源还不确定，而p 峰，可能来源于水体中的叶绿素( c o b l ee t a t , 1 9 9 8 ) 。 表1 - 2 海洋溶解有机物质类蛋白荧光峰 d b s t 参考文献 e x ( n m ) e m ( n m ) e x ( n m ) e m ( n m )e x ( n m ) e m ( n m )e x ( n m ) e m ( n m ) 2 9 5 3 4 5c o b l ee ta l ，1 9 9 0 2 2 0 ，2 7 5 3 0 0 - 3 4 0c o b l ee ta l ，1 9 9 3 2 7 5 3 1 02 7 5 3 4 0 c o b l e ，1 9 9 6 2 7 5 3 0 52 7 5 3 4 0c o b l ee ta l ，1 9 9 8 d e t e r m a n n 矗a t , 2 3 0 陀8 0 - 3 0 02 3 0 3 2 5 3 5 02 7 0 ，3 2 5 。3 5 0 1 9 9 4 m o p p e ra n d 2 2 0 ，2 7 0 ，3 2 0 士2 0 s c h u l 乜，1 9 9 3 m a t t h 目v se ta 1 2 8 0 3 2 0 - 3 5 0 1 9 9 6 2 7 0 - 2 8 0 3 0 0 - 3 2 02 7 0 - 2 8 0 ，3 2 0 - 3 5 0p a r l a n t ie ta l ，2 0 0 0 y a m a s h i ma n d 2 6 5 - 2 8 0 2 9 3 - 3 1 32 7 5 - 2 8 5 3 3 6 - 3 5 l t a n o u e ，2 0 0 3 ( d 低激发波长类酪氨酸荧光峰、b 高激发波长类酪氨酸荧光峰、s 低激发波长类色氨酸荧 光峰和t 高激发波长类色氨酸荧光峰) 4 表1 3 海洋溶解有机物质类腐殖质荧光峰 a - e x ( n m ) e m ( n m )c e x ( n m ) e m ( n m )m - e x ( n m ) e m ( n m ) 参考文献 2 6 0 1 4 4 03 4 0 4 4 0 c o b l ee t a l 。1 9 9 0 2 3 0 4 2 0 - 4 5 03 4 0 4 2 0 - 4 5 0c o b l ee t a l 1 9 9 3 2 6 0 3 8 0 4 6 0 3 5 0 ，4 2 0 - 4 8 03 1 2 ，3 8 0 c o b l e ，1 9 9 6 2 6 0 怕0 0 - 4 6 03 2 0 3 6 0 4 2 0 - 4 6 02 9 0 3 1 0 3 7 0 - 4 1 0c o b l ee ta l ，1 9 9 8 3 2 5 4 5 0 c h e na n db a d a , 1 9 9 2 2 5 4 4 4 0 - 4 6 0 d e t e r m a n ne ta 1 1 9 9 4 3 4 0 f 4 s o3 l o ，4 3 0m a t t h e w sc ia l ，1 9 9 6 2 5 0 - 2 6 0 3 8 0 4 8 0 3 3 0 - 3 5 0 4 2 0 - 4 8 03 l o - 3 2 0 ，3 8 0 - 4 2 0p a d a n t ie ta 1 2 0 0 0 r o c h e l l e - n e w a l la n d 3 5 5 4 5 0 f i s h e r , 2 0 0 2 y a m a s h i t aa n d 3 5 0 3 6 5 4 4 6 - 4 6 53 0 0 - 3 3 0 3 8 4 - 4 2 5 t a n o u e ，2 0 0 3 ( a 、c 和m 分别对应类腐殖质荧光峰a 、c 和m ) 1 1 2 荧光溶解有机物质的定量 类蛋白和类腐殖质荧光的强度分别随水体中类蛋白和类腐殖质荧光物质含 量的增加而增大，它们之间存在一定的正相关关系，而受环境因子的影响较小 ( y a m a s h i t aa n dt a n o u e ，2 0 0 3 ；m a y e re ta l , 1 9 9 9 ) ，从而实现对物质的定量分析。 m a t t h e w s 等( 1 9 9 6 ) 选用纯色氨酸和酪氨酸单体作为标准对两种氨基酸的浓度 进行了定量分析，d e t e r m a r m 等( 1 9 9 4 ) 根据荧光强度，用氨基酸和腐殖酸作为 标准物质定量估算海水中的酪氨酸、色氨酸和腐殖酸浓度，但也有研究者认为选 用氨基酸单体作为标准可能会带来一定的误差( m a y e re ta l , 1 9 9 9 ) 。 常规荧光分析技术已经成为海洋d o m 例行分析的重要手段。而事实上，一 个化合物荧光信息完整的描述需要三维光谱才能实现。三维荧光光谱法 ( e x c i t a t i o n e m i s s i o nm a t r i xs p e c t r o s c o p y ，e e m s ) ，是近2 0 多年来发展起来的 - - f q 新的荧光分析技术( n d o ua n dw a r n e r , 1 9 9 1 ) 。e e m s 可以作为激发光谱、 发射光谱及同步荧光光谱进行分析，并且可以提供溶解有机物质组分的荧光最大 激发和发射波长的组合，它的灵敏度足以研究有机物组分的微小变化( c o b e , 1 9 9 6 ) 。e e m s 已成功地应用于海洋水团的划分( c o b l e ，1 9 9 6 ；c o b l ee ta l , 1 9 9 0 ； 1 9 9 8 ) 和有机污染物质的示踪( 风华等，2 0 0 6 ) 等研究中。 1 2 海洋中荧光溶解有机物质的来源和分布 海洋中f d o m 的形成，输送和转化是一个相当复杂的生物地球化学过程。 海洋中其可能的来源包括河流输入、海洋生物的分泌代谢及其死亡后的降解产 物、沉积物释放、降雨等等。而光化学降解则是荧光溶解有机物质的主要去除途 径。 1 2 1 河流输入 腐殖质在生物学上属于惰性物质，在海洋中具有良好的保守性，因而被视 为海洋中的最佳示踪物质而用于河口区水体混合过程( t a a n ea n dk r a m e r ，1 9 9 1 ) 、 水质示踪( 风华等，2 0 0 6 ) 和总有机碳指示( k a u e ，1 9 4 9 ；s m a r te ta t , 1 9 7 6 ) 等。 在近岸海区，江河径流输入是类腐殖质荧光物质的一个重要来源( m a y e re t 口厶 1 9 9 9 ；d o r s c ha n db i d l e m a n , 1 9 8 2 ) ，f d o m 最高浓度值一般出现在淡水和河口区 域，在沿岸水域及大洋区中其浓度降低( b l o u g he ta l ，1 9 9 3 ) ，类腐殖质荧光与盐 度里负相关，表明陆源输入的影响( m a y e re t 以1 9 9 9 ；d o r s c ha n db i d l e m a n , 1 9 8 2 ) 。但当存在现场来源和去除途径，或该区域受多条河流共同影响时，类腐 殖质在该区域的分布则呈现非保守性( b l o u g ha n dd e lv e c c h i o ，2 0 0 1 ) 。 有关河口混合过程中类蛋白荧光的报道较少，m a y e r 等( 1 9 9 9 ) 观测到 m a i n e 河口区，类蛋白荧光高于外海水，两种氨基酸荧光在河口区的分布特征不 同，河流端，类色氨酸荧光强度较高，而海洋端，类酪氨酸荧光峰较强。 1 2 2 浮游植物来源 近年来，已有些有关f d o m 浮游植物来源的报道，但其产生机制还不清楚。 受河流影响较小的近岸海区和深海区域，荧光溶解有机物质主要为现场来源，且 f d o m 与盐度和d o c 浓度的相关性不明确( f e r r a r ia n dd o w e u ，1 9 9 8 ) 。现场研究 6 表明，生物活性高的透光层对应着高的类蛋白荧光( m o p p e ra n ds c h u l t z ，1 9 9 3 ) ， 赤潮水体中也具有较强的类蛋白荧光( d es o u z as i e r r ae ta l , 1 9 9 4 ) ，但也有研究 表明不同的海区类蛋白荧光与叶绿素a 的相关性不同，有时呈正相关，有时呈负 相关( m a y e re ta l , 1 9 9 9 ) 。实验室研究则表明，浮游植物衰老和死亡细胞的破碎 降解是溶解有机物质类蛋白荧光的重要来源( p e t e r s e t h1 9 8 9 ) 。c h e n 和b a d a ( 1 9 9 2 ) 指出类腐殖质荧光与水体生产无关，浮游植物不能直接产生腐殖质 ( b r i c a u de ta l , 1 9 8 1 ) ，而是浮游植物产生的物质经过异养细菌降解后的产物才具 有类腐殖质荧光( t r a n v i k , 1 9 9 3 ) ，r o c h l l e - n e w a u 和f i s h e r ( 2 0 0 2 ) 通过对中肋 骨条藻和微小原甲藻等几种海洋微藻培养过程中，类腐殖质荧光变化的研究表 明，类腐殖质荧光在微藻进入稳定生长后期才会开始逐渐增大，进一步的分析表 明，由浮游植物直接释放的溶解有机物并不具有类腐殖质荧光，而类腐殖质荧光 主要来源于这些物质经由细菌进一步降解后的产物。但也有研究报道高的叶绿素 a 含量对应高的类腐殖质荧光( c o b l ee ta l , 1 9 9 8 ) 。 1 2 3 沉积物来源 局部海域沉积物中荧光溶解有机物质的再悬浮会导致上覆水体中的荧光强 度增大。c o n e ( 1 9 9 6 ) 和m a y e r 等( 1 9 9 9 ) 分别在加拿大西岸d a b o b 湾和美国 m a i n e 河口沉积物间隙水中检测到了酪氨酸和色氨酸荧光峰。在加利福尼亚南部 边缘海，深层海水荧光在接近底层时其强度有所增大( c h e r ta n db a d a , 1 9 9 2 ) 。c h e n 和b a d a ( 1 9 8 9 ) 有关s a n t ab a r b a r a 海湾海水和间隙水荧光的研究也证实了以上的 观点。 1 2 4 海面降雨 c h e n 和b a d a ( 1 9 9 2 ) 发现雨水和深层海水具有相似的荧光发射光谱，表明 海面降雨可以向海洋输入荧光物质，但不是主要的来源。 1 2 5 溶解有机物质荧光在大洋区的分布特征 溶解有机物质荧光在大洋中的分布呈现一定的规律。在马尾藻海域、弗罗里 7 达海峡、加利福尼亚边缘海和太平洋中部，由于光降解作用类腐殖质荧光强度均 在表层最低，随着深度的增加而增加( c h e na n db a d a , 1 9 9 2 ) 。类蛋白荧光则由于 表层生物活动的贡献，在表层中强度较大，随着深度的增加而降低( m o p p e ra n d s c h u l t z 1 9 9 3 ) ，超过一定深度范围两类荧光强度的变化就很小了。另外，类腐殖 质荧光激发和发射最大波长随深度的增加而向长波方向移动，高生产的表层海水 类腐殖质荧光峰主要出现在m 区，而深层海水的类腐殖质荧光峰则移向c 区 ( c o b l e , 1 9 9 6 ；c o b l ee l 口1 9 9 8 ) 。 1 2 6 荧光溶解有机物质的去除途径 荧光溶解有机物质是水体中一类重要的光吸收物质，在紫外波段吸收最强， 限制生物有害的u v - b ( 2 8 0 3 1 5 r i m ) 的穿透深度，起到保护水生生物的作用。受 到光照射之后其组成和光学性质均发生改变，其光降解产物主要是一氧化碳、二 氧化碳、溶解无机碳等无机碳化合物及一些分子量较小的有机物质，其光学性质 的改变包括对光的吸收息率和荧光效率的降低( m o r a ne ta l , 2 0 0 0 ) 。c a l l a h a n 等 ( 2 0 0 4 ) 在甲板上进行的光降解实验表明，荧光溶解有机物在自然光的照射下， 4 8 小时内可完全降解。实验室和现场研究均表明，光降解是荧光溶解有机物质 在海洋中主要的去除途径( t r a n v i k , 1 9 9 3 ；v o d a c e k e t a t , 1 9 9 7 ；n e l s o ne t a l , 1 9 9 8 ) ， 腐殖质物质很难被细菌直接利用( b a r b e r , 1 9 6 8 ) ，但其光降解之后的产物可以被 细菌呼吸所利用( w e t z e l 。1 9 9 5 ) ，从而加速其降解，相反类蛋白物质光降解后的 产物不易被细菌降解利用( m i l l e r a n dm o r a n ，1 9 9 7 ) 。 1 3 结语及展望 d o m 是海洋中最大的有机碳储蓄库，对海洋中溶解有机碳的分布及海洋碳 循环有重要作用。但海洋d o m 的传统分析方法( 主要依靠分离技术以及切向超 滤技术，对水体中痕量的有机物质进行富集，用红外光谱、核磁共振、元素分析 等方法分析其组成) ，由于其自身的局限性，难以直接快速了解d o m 在海洋中 的存在形态、含量及分布。荧光光谱技术是一种简便、灵敏的测量方法，是研究 海洋d o m 的有效手段，目前国外早已开展了相关的研究工作，而我国在该领 域的研究亟待深入开展。目前较常用的是三维荧光光谱技术，该方法为复杂混合 物中荧光组分的确定提供了很多细节信息，它的灵敏度足以研究d o m 组成的 微小变化。今后的工作重点是随着研究工作的不断深入，并借助分析仪器和软件 的发展，建立可以储存不同来源有机物质的荧光光谱指纹的光谱数据库，用于有 机物来源的判断，以便更详细地探讨其地球化学过程。 1 4 本论文的研究目的 由以上综述看来，对东、黄海溶解有机物质荧光特征的研究还未见有文献报 道。因此通过本研究希望认识到： ( 1 ) 东、黄海溶解有机物质荧光特征与浮游植物增殖和河流输入以及相关环境 因子的关系。 ( 2 ) 东海溶解有机物质荧光的年度变化特征。 ( 3 ) 通过海洋围隔生态实验确定浮游植物增殖过程中溶解有机物质荧光的变化 特征。 9 2 1 仪器及测定参数 2 实验方法 本论文中三维荧光激发发射矩阵光谱( e e m s ) 用h i t a c h if 4 5 0 0 型荧光 分光光度计测定。结合文献中同种仪器对测定参数的选择( 傅平青等，2 0 0 4 b ； m a y e re t 口l1 9 9 9 ；y a m a s h i t aa n dt a n o u e , 2 0 0 3 ；季乃云，2 0 0 5 ) ，本论文中决定采 用的荧光激发发射光谱的测定参数如表2 - l 所示。 表2 - 1h i t a c h if - 4 5 0 0 荧光分光光度计测定参数 m e a s u r e m e n tt y p e 3 ds c a n d a t am o d e f l u o r e s c e n c e e xs t a r tw a v e l e n g t h2 0 0 o h m e xe n d w a v e l e n g t h 5 0 0 0 n m 酞s a m p l i n gw a v e l e n g t h 5 o h m e ms t a r tw a v e l e n g t h 2 0 0 0 r i m e me n dw a v e l e n g t h5 0 0 。0 r i m e ms a m p l i n g w a v e l e n g t h5 0 n m s c a ns p e e d 1 2 0 0 0 n m m i n e x s l i t 5 0 r i m e ms l i t 1 0 0 r i m p m t 、，o l t a g e 7 0 0 v r e s p o n s e a u t o c o r r e c t e ds p e c t r a o n s h u 壮c r o o n t r o l o n 2 2 类蛋白和类腐殖质荧光 仪器及其测定参数不同，对荧光测定会存在一定的影响，为了进一步确定本 实验仪器及其在选定的测定参数下蛋白质和腐殖质荧光峰峰位置以及与海洋溶 1 0 解有机物类蛋白和类腐殖质荧光峰的对应情况，本实验对市售牛血清蛋白( 上海 埃彼化学试剂公司，生化试剂) 和腐殖质( 淄博市临淄天德精细化工研究所，生 化试剂，棕黑色粉末) 的荧光光谱进行了测定，配制的牛血清蛋白和腐殖质溶液 的浓度分别为l m g l 和1 0 m g l ，其光谱如图2 - 1 所示。牛血清蛋白的荧光峰峰 位置在e x e