海洋胶态物质的生物地球化学循环研究

第27卷 第4期海洋环境科学Vol.27,No.42008年8月MARINEENVIRONMENTALSCIENCEAugust2008=综 述>

海洋胶态物质的生物地球化学循环研究*

张 兵,罗先香,潘进芬,马启敏(中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室,山东青岛266100)摘 要:对近年海洋胶态物质生物地球化学循环研究的进展做了综述。总结了生物影响效应领域的新技术、新成果。切向超滤技术在海洋学上应用促进了海洋胶态物质进一步研究。研究表明,海洋胶态物质的存在对海洋生物影响有着重要的意义,尤其是近岸海域海洋胶态物质有机物含量的增加促进了藻类的繁殖和生长,甚至引发赤潮。胶态物质与金属及其他痕量元素的结合影响了其赋存形态及生物地球化学循环。近年来对胶态物质的生物可利用性的研究结果表明胶态物质对生物的金属可利用性有着重要的影响,使得人们重新考虑已发展建立的自由基活度模型(freeionactivitymode,lFIAM);深入理解生物体内胶态物质的吸收和相关的生理过程将有助于海洋胶态物质的生态效应以及生物可利用性等方面的研究。关键词:海洋胶态物质;生物地球化学循环;生物可利用性;吸收;机理中图分类号:P734 文献标识码:A 文章编号:1007-6336(2008)04-0387-04Studiesonbiogeochemistrycycleofmarinecolloids

ZHANGBing,LUOXian-xiang,PANJin-fen,MAQ-imin (KeyLabofMarineEnvironmentalScienceandEcology,MinistryofEducation,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China)Abstract:Studiesonthebiogeochemistrycycleofthemarinecolloidalmatterswerereviewedinthispaper.Theapplicationofad-vancedtechniques,suchascross-flowultrafiltration,inresearchesonthecolloidalmattersgreatlypromotedstudiesonthemarinecolloids.Themarinecolloidswerebioavailabletomicroalgae,bivalvesandothermarineorganisms.Thebindingofmetalsandothertraceelementsmaycontroltheformsoftheseelementsandthusaffectsthemarinebiogeochemistryofthem.Therecentstudiessuggestthatuptakemayvaryfromapredominantuptakeoffree-ionicformstodirectingestionofhighmolecularweight(HMW)orcolloidalcomplexmetalsanddifferentmechanismsmayoperatefordifferentfunctionalgroupsofaquaticorganismsintheaccumulationmetals.Onechallengeistounderstandthefunctionalphysiologyindifferentgroupsintheaquaticorganismsincontrollingmetalbioavailabilityfromthecolloidalphase.Keywords:marinecolloids;biogeochemistry;bioavailability;uptake;mechanism 自20世纪80年代末切向超滤技术(cross-flowultra-filtration,CFUF)在海洋溶解有机物的迁移转化与循环过程研究的应用以及分析测试水平的提高使人们认识到,传统海洋学研究中采用0.45Lm或0.22Lm滤膜所获得的海水溶解有机碳实际上有>20%是以胶体态(COC)存在的[1],即以切向超滤(CFUF)系统所截留到的>1kDa(1kDa约相当于1@10-3Lm)的组分占有相当的份额。这些高分子量的胶态有机物包含多糖、蛋白质等活性物质[2],粒径较小,具有相对较大的比表面积以及相对应吸附和络合容量,主要来源于浮游植物和细菌释放的多糖,此外浮游植物和细菌细胞的溶解及摄食活动、颗粒有机物的降解、陆源物质的输入等也会产生胶态物质,与海洋生物活动息息相关[3]。因而它们在元素或化合物的溶解相和颗粒相间的分配及其生物地球化学循环中发挥着重要作用,人们自上世纪80年代末以来将之从传统的溶解相中分离出来进行广泛深入的研究[2]。目前,人们对海洋胶态物质的生物地球化学行为有了一定程度的了解,但对其生物可利用性还知之甚

*收稿日期:2006-10-08;修订日期:2006-12-20 基金项目:国家自然科学基金(40406024);国家/9730计划(2002CB412406);山东省自然科学基金(2006ZRA02063)。 作者简介:张 兵(1983-),男,吉林榆树人,硕士研究生,从事海洋环境方面研究。 通讯作者:潘进芬(1974-),山东青岛人,讲师,主要从事金属生物地球化学及环境生态学研究,E-mai:ljfpan@ouc.edu.cn388 海 洋 环 境 科 学第27卷少[4,5]。本文将对海洋胶态物质的收集技术、性质、生物地化循环中的作用及其生物利用性研究进行综述。1 海洋胶态物质的收集海水中胶态物质的分离是进一步深入了胶态物质性质的前提。目前在海洋化学研究中,分离胶态物质的最有效手段是切向超滤技术(cross-flowultrafiltration,即CFUF),该技术能将絮凝、吸附等效应减至最低,是目前普遍采用的超滤方法。切向超滤的具体工作流程是:在切向超滤过程中,预滤液平行流过膜表面,比滤膜孔径小的物质不断透过滤膜成为超滤液,粒径大的物质则随着切向流重新回到样品池中。随着超滤过程的进行,胶态物质的浓度不断被浓缩,最后溶液被分离为两部分,一部分为超滤液(又称渗透液),另一部分为包括胶态物质在内的浓缩液(亦称截留液)。切向超滤技术具有其它分离方法无法比拟的优点[6]:(1)粒子可以随着液体的流动而被带走,不会在过滤的过程中沉积到滤膜上,将吸附和絮凝效应降至最小。减小了孔径阻塞及浓差极化效应,从而使过滤能连续进行。(2)分离后的胶态物质粒子被浓缩到小体积溶液中,而不是附着在滤膜上,胶态物质粒子仍然是分散的,因此较好的保持了其胶态物质特征。切向超滤技术的应用将胶态物质的研究推向了一个新的高潮。2 胶态物质的化学成分分析Wells等研究发现,海水中胶态物质粒子一般形状为圆形,可能是小粒度胶粒的聚集体,其性状与由土壤中衍生出来的富里酸极其相似[7]。海洋中的胶态物质虽然也包含一些金属氧化物(如水合氧化铁)和粘土矿物质[8],但主要成分是有机物,大部分来源于生物过程并与初级生产有关,包括浮游植物的光合作用、细胞溶解和藻类分泌、浮游动物捕食、浮游动物排泄及其尸体自溶等[9]。最近的研究确认大洋及近岸海域胶态物质有机物质主要由大分子有机物质所组成,主要成分是糖类化合物、氨基酸和脂类,尤其前二者可以高达60%及13%[10,11]。事实上,构成海洋胶态物质的单个化合物浓度一般都在纳摩尔的数量级上,对这些化合物的分离、鉴定与检测均有很大的难度,再加上海洋胶态物质的产生、迁移、转化与循环等过程都相当复杂,是当今海洋化学研究的最薄弱环节之一[12]。3 胶态物质与元素海洋生物地球化学循环胶体泵(colloidalpumping)的学说认为胶体的凝聚可能提供了一种物质从溶解态到颗粒态的形态转化途径,表明了胶态物质在海洋生物地球化学循环中的重要作用[13,14]。此外,胶体物质在水体中具有不稳定性,已有的研究表明海洋胶体在水体中的停留时间较短,具有较快的周转速率[15,16]。这也为胶态物质在海洋循环中重要作用提供了依据。海洋中的胶态物质主要成分是有机物,胶态有机碳(COC)及其相关的研究是目前对海洋胶态物质研究的热点。研究认为胶态物质通过物理、化学及生物等过程对碳的生物地化循环产生重要影响。微生物的吸收利用使COC发生迁移。Amon等认为高分子迁移的主要过程是细菌的矿化作用的结果[17]。也有研究认为COC发生迁移是通过物理和生物过程的耦合作用进行的[18],另外Kepkay等发现在加拿大的Bedford海盆浮游植物爆发期间,混合层中的COC因与浮游植物的聚集体一起絮凝其最大值比叶绿素最大值滞后20d[19]。这些观点都充分说明了胶态物质通过物理、化学及生物等过程对碳的生物地化循环产生重要影响。另外由于海洋胶态物质粒径较小,比表面积较大,吸附并络合了大量具有生物活性的痕量金属,影响了大部分痕量金属的化学形态及其生物可利用性及碳的生物地化循环[20]。陈敏等在1994~1995年期间,利用B计数法实测了南沙群岛海域、南海东北部海域、厦门湾塔角附近海域和九龙江河口溶解态与颗粒态234Th的放射性比活度,结果表明234Th的条件分配系数与总悬浮颗粒物含量呈负相关关系,这种/颗粒物浓度效应0证实了在元素海洋胶态物质在生物地球化学循环中所起的重要的作用[21]。Wen曾报道Galveston湾水体中Fe优先和胶态物质(10kD~0.45Lm)结合[22]。Martin等在研究近海岸水中的痕量元素形态分布时发现很多金属(34%的Cd,87%的Fe54%的Mn等)是以胶态物质形态存在的[23]。Wells等也发现对海洋生物影响最大的痕量金属之一的Fe主要存在于胶态相中[20],并有学者报道对藻类生长起作用的主要活性形式是有机络合态铁,通过络合剂的络合作用及光诱导还原等作用转化为藻类直接吸收利用的生物活性形式[24]。4 胶态物质的生物利用性研究起始于上世纪70年代的金属与生物体相互作用研究的自由离子活度模型理论(freeionactivitymodel)[25]认为,只有自由态(无机)金属离子才具有生物可利用性,而众所周知,海洋中的有机物质是痕量金属的重要配位体,这些金属)有机配位体控制了大部分生物可利用金属的化学形态,从而影响了海洋中的初级生产力[26]。/颗粒动力学0的理论和实验研究表明,胶体的聚集作用可以使金属从低分子量的结合态转移到沉降颗粒上,从而影响了有机物和许多金属的生物可利用性[27]。此外,越来越多的证据表明,胶态物质也可以被海洋浮游植物、浮游动物以及双壳类生物所吸收[6,28~30]。在生物利用这些胶态金属的过程中,溶解有机碳和胶态有机碳是金属生物可利用性的重要影响因素。HÊss等研究线虫Caenorhabditiselegans对Cd的吸收时发现,DOC降低了金属的利用性[31]。Stackhouse与Bensen报道DOC对水蚤(Daphnia第4期张 兵,等:海洋胶态物质的生物地球化学循环研究389 magna)体内镉的生物吸收有抑制作用[32]。赵元凤采用暴露实验方法对海水中Cd对牙鲆的生物有效性进行了研究,发现海水TOC能降低Cd的生物有效性[33]。Pan和Wang通过研究金属在mussle体内的富集系数(DCF)与胶态有机碳浓度关系,发现胶态有机碳对生物可利用性因金属不同具体情况不同而不同[34]。Chen和Wang研究表明胶态铁的生物可利用性依赖于胶体的粒径和年龄[35]。而Guo研究发现DOC在低浓度(0.5mg/L)时对胶态金属的生物可利用性具有抑制作用,而在DOC浓度比较高时促进了生物对金属的吸收[29]。从上可以看出,虽然在金属的生物可利用性上尚存在一些问题和争议,但足以说明胶态物质对生物的金属可利用性有着重要的影响。Amon等的研究表明,细菌在高分子量胶态物质存在下的生长和代谢速率比在低分子量中的提高3~6倍[36]。海洋胶态物质有机物是近岸海域细菌和浮游植物可利用氮的一个重要来源,暴露在阳光下的胶态物质有机物可释放生物可利用的富氮组分,进而提高细菌对胶态物质的分解,可促进藻类的繁殖和生长,甚至引发赤潮[37]。可见,胶态物质通过细菌的分解作用可对初级生产力、次级生产力等生物学过程产生重要的影响。郑爱榕等研究海洋胶态物质对光合细菌生长效应发现,海洋胶态物质对光和细菌的生长效应与培养介质的营养成分、有机营养成分的分子量大小以及胶态物质浓度密切相关,在适宜的光和细菌生长的条件下,海洋胶态物质对光和细菌的生长具有显著促进效应[30]。这些研究结果是对自由离子活性模型的补充,并进一步证实金属的物理化学性质对其生物可利用性的影响。目前如何将这些不同的理论及模型结合起来,以评估金属的生物可利用性和毒性仍是一个很大的挑战。5 结 语综上,海洋胶态物质不仅具有生物可利用性,也影响到痕量金属及相关元素的生物地球化学循环。这些研究是自由离子活性模型的补充,并进一步证实金属的物理化学性质影响其生物可利用性。起始于70年代的自由离子活度模型一直是理解金属的生物可利用性和生物毒性的指导原则,而胶态金属的生物可利用性使得人们重新考虑这一已经建立的经典模型。目前,如何将这些不同的生物吸收机理结合起来评估物质的生物可利用性和毒性成为研究的一个热点。同样,海洋生物吸收及富集金属的复杂机制以及金属的理化形态对其生物可利用性及对其在食物链中的传递的控制作用都尚待进一步研究。人们对生物体内胶态物质吸收机理和相关的生理过程的深入研究就成为人们面临的挑战之一,该领域的深入研究将揭示海洋胶态物质的生态效应以及相关元素的海洋生物地球化学循环。参考文献:[1]GUOL,SANTSCHIPH.Isotopicandele-mentalcharacteriza-tionofcolloidalorganicmatterfromtheChesapeakeBayandGalvestonBay[J].MarineChemistry,1997,59(1~2):1-15.[2]BENNERR,PAKULSKIJD,MCCARTHYM,etal.Bulkchemicalcharacteristicsofdissolvedorganicmatterintheocean[J].Science,1992,255(5051):1561-1564.[3]WELLSML,GOLDBERGED.ThedistributionofcolloidsinthenorthAtlanticandsouthernoceans[J].LimnologyandOce-anography,1994,39(2):286-302.[4]PANJF,WANGWX.Differentialuptakeofdissolvedandpar-ticulateorganiccarbonbythemarinemusselPernaviridis[J].LimnolOceanogr,2004,49(6):1980-1991.[5]CHENM,DEIR,WANGWX,etal.Marinediatomuptakeofironboundwithnaturalcolloidsofdifferentorigins[J].MarChem,2003,81(3~4):177-189.[6]谭丽菊,王江涛.海水中胶态物质有机碳研究简介[J].科学瞭望,1999,4:27-29.[7]WELLSML,GOLDBERGED.Colloidaggregationinseawater[J].MarineChemistry,1993,41(4):353-358.[8]WELLSML,GOLDBERGED.Marinesubmicronparticles[J].MarineChemistry,1992,40(1~2):5-18.[9]GUOLD,SANTSCHIPH,WARNKENKW.Tracemetalcompositionofcolloidalorganicmaterialinmarineenvironments[J].MarineChemistry,2000,70(4):257-275.[10]GUOLD,SANTSCHIPH.Isotopicandelementalcharacter-izationofcolloidalorganicmatterfromtheChesapeakeBayandGalvestonBay[J].MarineChemistry,1997,59(1~2):1-15.[11]MEANSJC,WIJAYARATNERD.Chenicalcharacterizationofestuarinecolloidalorganicmatter:Implicationsforadsorptiveprocesses[J].BullMarSc,i1984,35:449-461.[12]曹莉,戴民汉,徐立,等.海洋胶体的有机组成及其结构特征[J].海洋科学,2005,28(8):59-64.[13]HONEYMANBD,SANTSCHIPH.Brownian-pumpingmodelforoceanictracemetalscavenging:Evidencefromtheisotopes[J].JMarRes,1989,47:951-992.[14]HONEYMANBD,SANTSCHIPH.Couplingadsorptionandparticleaggregation:Laboratorystudiesof"colloidalpumping"usingFe-labeledhematite[J].EnvironSciTechno,l1991,25:1739-1747.[15]MORANSB,BUSSELERKO.Sizefractionated234Thincon-tinentalshelfwatersofNewEngland:Implicationsfortheroleofcolloidsinoceanictracemetalscavenging[J].JMarRes,1993,51:893-922.[16]DAIMH,BENITEZ-NELSONCR.Colloidalorganiccarbonand234ThintheGulfofMaine[J].MarChem,2001,74:181-196.[17]AMONRMW,BENNERR.Rapidcyclingofhigh-molecular-weightdissolvedorganicmatterintheocean[J].Nature,1994,369(6481):549-552.