沉积物中生物硅的测定及应用.docx

沉积物中生物硅的测定及应用摘要：生物硅(BSi)指生源无定形硅，主要来源于硅藻、放射虫和海绵骨针等硅质生物。沉积物中生物硅的含量，不仅反映水体表层初级生产力变化，还有效地指示着古气候的变化。本文简述了几种常见的生物硅的提取方法，并且对生物硅的应用进行了简要的讨论。关键词：生物硅；沉积物；生产力；古气候1 生物硅的简介硅是地球上第二丰度元素。水体中的硅主要来自于硅酸盐矿物的化学风化过程。作为浮游植物硅藻生长所必需的营养元素，硅在水体生态系统研究中占据非常重要的地位。水体中溶解硅通过生物利用转化为无定形的生物硅( Biogenic sili-ca) ，亦称为生物蛋白石或简称蛋白石。沉积物中的生物硅主要为含硅浮游生物的遗体，如硅藻、放射虫、硅鞭毛藻和海绵骨针等，其含量与表层水体中的生物繁盛程度密切相关，同时也反映了富营养化的演变历史1。它不但对水体富营养化污染研究有重要作用，而且它的时空分布可用于反映古生产力的变化过程2。在古湖沼学、古海洋学及全球生源要素的循环研究中，生物硅的测定也是必不可缺的部分。根据沉积物中生物硅的含量可以计算出其堆积速率，而生物硅堆积速率与样品的古水深无相关性，且可以直接反映不同历史时期表层生产力的波动，由于生产力的高低与表层海水营养物质的供应变化密切相关，故而可以将生物硅沉积记录与导致环境变化的古气候和古海洋、古湖沼过程联系起来3。2 国内外的研究进展2.1 生物硅的测定方法 目前国际上生物硅测定的各种分析方法和改进方法可以概括为以下5类，分别是：X射线衍射法、红外分光法、元素标准比值计算法、微体化石计数法、化学提取法。这些方法对样品的种类和实验条件的要求有所不同，也各自存在一定的局限性，到目前为止，BSi的测定还没有被一致认可的方法，其中，化学提取法是应用最为广泛的方法。不同实验室根据样品中生物来源和矿物组成的特点，对生物硅的测定方法进行了不断的完善和改进。2.1.1 X射线衍射法 X 射线衍射法首先需要去除沉积物中 CaCO3,这可以通过加入醋酸钠缓冲液而去除，同时以氧化铝作内标 , 用 X 射线衍射测定即可。但是有研究指出，一般用化学方法测定的生物硅含量，比X射线衍射法测得的含量要低4。总的来说，X射线衍射法跟化学方法相比，存在着一定的误差，且样品预处理相对繁琐，受沉积物基质的矿物组成和硅质微化石聚集体的性质的影响 , 很难应用于生物硅含量低的近岸或陆架区沉积物。2.1.2 红外光谱法 所有硅酸盐矿物在 910m均有吸收，同时，海洋沉积物中蛋白石的红外光谱有两个主要吸收峰 , 即 9. 20m强吸收峰和 12. 55m弱吸收峰 ，故12. 55m峰可以用可以于生物硅的定性和定量5。然而，在未经研磨的情况下，海洋沉积物中常见的石英和高岭石在12. 55m也有吸收6。因沉积物中石英会干扰生物硅的红外光谱测定 , 须对此方法进行改进。有研究表明，红外光谱法与 X 射线法测得生物硅含量较一致7。但红外光谱法操作繁琐、费时, 不适于大量样品的测定。另外 , 红外光谱法不适用于石英含量 10 %的沉积物8。2.1.3 元素标准比值计算法 元素标准比值计算法是先假设沉积物中非生物硅的含量与铝或其他化学成分的含量成一定比例 ,然后通过扣除非生物硅含量即可计算出生物硅的含量。然而，沉积物中的非生物硅的含量并非与地壳中的平均值具有相同的元素比，其比值还有待确定。有报道指出，根据黏土矿物中 SiO 2 Al 2O 3 比值估算的非生物硅含量与测定的非生物硅含量的差异可达 30 %9。如果是用于更新世深海沉积物中生物硅含量的测定，那么这种方法还是可行的，因为更新世的深海沉积物受成岩变化的影响小10。但是这种方法对于近岸沉积中生物硅含量的测定的准确度还有证实。2.1.4 微体化石计数法 微体化石计数法即通过在显微镜下计算含硅微体生物化石的数目，从而得出该沉积物中生物硅的含量。但是如果出现蛋白石的溶解和碎片，则该方法不能应用于生物硅的测定11。2.1.5 化学提取法 化学提取法是目前较为常用方法，其原理主要是应用生物硅较其他相的硅在高温碱液中具有更快的溶出速度，将BSi分离溶出，再通过硅钼蓝法测定其含量12。影响化学提取法准确性的主要因素是不同生物来源和矿物组成的生物硅溶出效率不同，因此，针对不同生物来源和矿物组成的样品，其测定方法必须做相应的调整。2.2 生物硅对水体表层初级生产力状况的指示作用 硅藻对全球海洋生态环境具有重要意义，全球高营养盐海区以及海岸初级生产力的75%是由硅藻提供的，全球平均60%以上的初级生产力也归因于硅藻13。Dugdale和Wilkerson(1998)对赤道太平洋上升流海域的研究表明，该海域的新生产力主要受海水中SiO32-控制，SiO32-也是造成某些海域“高营养盐、低叶绿素(high-nutrient，low-chlorophyll，HNLC)”现象的重要原因之一14。在硅藻生产力旺盛的某些海区的沉积物中，总重量的80%以上都是由生物硅构成。通过沉积物捕捉器(sedimenttrap)测得的硅藻沉积通量以及沉积物中蛋白石的丰度都与海水表层生产力紧密连续在一起15。因此，海洋沉积物中生物硅的时空变化可帮助我们重建海洋古生产力变化模式不过，在海洋古生产力的研究中，由于沉积物的扰动以及生物硅的溶出，沉积物蛋白石的积累作为古生产力的指示存在一定偏差。2.3 生物硅作为古气候变化的有效替代指标 生物硅的记录具有全球意义，因为从陆架到深海、不同纬度(西北太平洋或非洲南部的沿岸上升流、赤道太平洋、南大洋等)的所有气候带上几乎都发现有富含蛋白石的沉积物，尤其是在对地球气候起主要作用的HNLC海域16。xiao等研究了日本琵琶湖沉积生物硅通量的变化，揭示出高通量的生物硅指示了温暖湿润的气候条件，低通量指示了冷而干燥的气候条件，生物硅是温带中纬度湖泊的理想气候替代指标17。DeLaRocha等(1998)研究发现硅藻硅质壳中同位素30Si/20Si的比值会随生产力的升高而提高，因而30Si/20Si的比值可以用来记录环境变迁18。3 小结和展望 虽然生物硅的测定方法有很多种，但是大多数都没有得到广泛应用，而且都仍需改进。用得比较广泛的化学提取法，灵敏度相对较高，但是标准的提取方法仍未建立，而且不同条件下提取剂的pH不同，时间不同，这些问题仍需进一步统一和解决。生物硅不仅可以作为水体表层初级生产力的指标，还可以作为古气候变化的有效替代指标。生物硅的测量，对于现代生态学以及长期生态学领域来说，都是非常有意义的一项测量工作。参考文献1 叶曦雯,刘素美,张经. 生物硅的测定及其生物地球化学意义J. 地球科学进展, 2003,(03) .2 杨海丽,郑玉龙,龙江平,沈银萍. 海南洋浦湾沉积物中生源组分的粒度效应J. 海洋学研究, 2010,(03) .3 谷阳光,王朝晖,吕颂辉,梁瑜,付永虎. 粤东海域表层沉积物中生物硅和有机质水平分布研究J. 安徽农业科学, 2008,(30) .4 李双建,肖开华,沃玉进,龙胜祥,蔡立国. 南方海相上奥陶统下志留统优质烃源岩发育的控制因素J. 沉积学报, 2008,(05) .5 于培松,扈传昱,刘小涯,潘建明,张海生. 南极普里兹湾海域的近现代沉积速率J. 沉积学报, 2009,(06) .6 曾艳,陈敬安,张维,朱正杰,李键. 湖光岩玛珥湖非残渣态Rb/Sr比值研究及其古气候意义J. 地球化学, 2011,(03) .7 陈志华. 北冰洋西部沉积物地球化学特征及环境指示意义D. 中国海洋大学, 2004 .8 叶曦雯. 胶州湾中生物硅的研究D. 中国海洋大学, 2002 .9 P.E. Noon,H.J.B. Birks,V.J. Jones,J.C. Ellis-Evans. Quantitative models for reconstructing catchment ice-extent using physical-chemical characteristics of lake sedimentsJ. Journal of Paleolimnology, 2001,25(3) .10 姜珊, 刘晓东, 徐利强, 孙立广. 生物硅在东南极湖泊古初级生产力研究中的应用J. 极地研究, 2011,(01)12 刘晓东, 孙立广, 谢周清, 朱仁斌, 尹雪斌, 赵三平. 海鸟活动在东南极中山站区莫愁湖沉积物中的记录J. 极地研究, 2004,(04)13 罗忻. 胶州湾、东海悬浮颗粒态生物硅的研究D. 中国海洋大学, 2006 .14 于培松,扈传昱,刘小涯,潘建明,张海生. 南极普里兹湾海域的近现代沉积速率J. 沉积学报, 2009,(06) .15 刘素美,张经. 沉积物中生物硅分析方法评述J. 海洋科学, 2002,(02) .16 张兰兰,陈木宏,向荣,陆钧,张丽丽. 南海南部表层沉积物中生物硅的分布及其环境意义J. 热带海洋学报, 2007,(03) .17 MI Bird,AR Chivas