东海表层沉积物中中性糖的赋存特征及其在有机质降解中的指示*

张桂成 梁生康① 石晓勇, 王修林

(1.中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室 青岛 266100;2.中国海洋大学化学化工学院 青岛 266100;3.国家海洋局减灾中心 北京 100194)

碳水化合物可分为中性糖、氨基糖和糖醛酸等,是海洋有机质的重要组分(Cowieet al,1994),浮游植物细胞、颗粒有机碳、溶解有机碳中碳水化合物的质量占比分别可达 20%—40%、13%—15%、32%。(Parsonset al,1984;Tanoueet al,1987;Bhosleet al,1992;Pakulsikiet al,1994)。作为重要的活性碳库,中性糖(Neutral Sugars,NS)易被生物降解和利用,其在有机碳中的组成、分布等赋存特征对于了解有机质的来源、组成和生物地球化学过程等具有重要的指示意义。Ittekkot等(1984)利用中性糖组分中阿拉伯糖(Ara)与海藻糖(Fuc)的比值来反映海洋沉积物中钙源和硅源的相对输入含量;Cowie等(1994)将中性糖和氨基酸占总有机碳的比例之和作为指示海洋沉积环境有机物新鲜程度的判断指标;在湾口河口区域,通过沉积物中葡萄糖在中性糖中占比降低,而海藻糖和鼠李糖等脱氧核糖在中性糖中的占比升高,可以判断该区域有机物发生了深度的降解(Hedgeset al,1994;Hamiltonet al,1998)。

作为世界上最大的陆架海之一,东海东邻西北太平洋,受到黑潮的强烈影响;西接中国大陆,陆海相互作用强烈,长江携带大量有机物进入东海(Wanget al,2008)。同时,长江口及其邻近海域富营养化程度严重,已经成为世界赤潮高发区之一,浮游植物现场生产旺盛,大量的浮游植物消亡后产生有机碎屑进入沉积物中(Gonget al,2000)。目前,对于东海有机质的物源和归宿等工作已经大量展开,其研究内容不仅涉及碳、氮含量及其同位素组成,也涉及木质素、氨基酸、烷烃和脂肪酸等生物标志物的含量和组成(Kaoet al,2003;Jenget al,2004;Zhuet al,2008;邵亮,2010);但对东海沉积物中性糖的研究则尚未展开。本文通过测定东海24个表层沉积物中中性糖的含量和组成,结合沉积物有机碳和总氮含量及其比值等参数,分析东海表层沉积物有机质的分布、来源及其降解程度。

1 材料与方法

1.1 样品采集

样品分别来自于2009年4—5月和2010年6月国家973项目春季航次调查取得的表层(0—2cm)沉积物,站位如图1所示,其中站位DH1-6、DHa-2为重力柱状样,数据处理选用表层 0—2cm作为表层沉积物样品。采样站位区域大体分为长江口及其邻近海域和浙闽邻近海域两部分。除位于冲绳海槽的 C0608站位水深达 519m外,其余站位取样水深都在 100m以浅,沉积物类型以粘土质粉砂为主(表1)。

图1 东海海域环流、沉积物泥质区域示意图(根据Qin et al,1987修改)及其表层沉积物采样站位Fig.1 Sampling stations,ocean circulations,and clayey sediment distribution in the East China Sea(modified after Qin et al,1987)

1.2 样品分析方法

总有机碳(TOC)、总氮(TN):准确称取一定量冷冻干燥、研磨均匀的样品于450°C灼烧过的玻璃瓶中,加入 4mol/L的盐酸,振荡至无气泡冒出,并超声5min,离心去除上清液,并用 Milli-Q水洗至中性,置于烘箱中55°C下烘干(48h)。称取适量处理过的样品,经Flash 2000元素分析仪测定。

沉积类型:取一定量样品经浓度为 4%的六偏磷酸钠溶液浸泡后,用超声波振荡分散,采用 Coulter LS-100Q型激光粒度仪进行分析,粒度分析间隔为1Φ。沉积物的分类和命名根据 Shepard(1954)提出的三角图进行分类和命名。

中性糖:准确称取一定量经过冷冻干燥、研磨均匀的样品于450°C灼烧过的玻璃瓶中,加入12mol/L的H2SO4在常温下水解3h,然后用Milli-Q水稀释到H2SO4浓度为1.2mol/L,并在 100°C下水解3h;冷却后加入脱氧核糖作为内标,使其浓度为200nmol/L左右;经过混合阴阳离子交换分离柱(Bio-Rad AG 2-X8树脂,20—50目;Bio-Rad AG 50W-X8树脂,100—200目)脱盐、蒸发,Milli-Q水溶解,在进色谱系统前用氦气脱气2min除去氧气。在等浓度为24mmol/LNaOH、流速为1mL/min下用PA-1柱分离中性糖,用脉冲离子液相色谱(Dionex 500)直接测定(Skooget al,1997)。中性糖标准样品谱图、沉积物样品谱图和空白对照谱图见附件一。方法精密度以各中性糖组分峰面积响应的总体标准差来表征,标准样的相对标准偏差为3.7%(n=13),回收率为72%—107%。

2 结果及讨论

2.1 东海表层沉积物中有机碳(TOC)分布特点

调查海域的TOC浓度在66.8—1441.7mmol/g,平均值为(409.4±55.2)mmol/g,最大值出现在冲绳海槽区域的 C0608站位(1441.7mmol/g),最小值出现在长江口偏北海域的DH2-2站位(66.8mmol/g)。整体而言,长江口及其邻近海域的 TOC浓度低于浙闽沿岸海域(表1,图2)。这与两个区域TOC的来源不同有关,前者不仅来源于长江所携带的陆源有机质,也来源于海域自身所产生的有机质;后者则主要来源于海源自身生产的有机质,由于该海域为高富营养化和高生产力海域,特别是每年春夏季暴发的大规模赤潮(龙华等,2008),导致该海域沉积物有机质浓度较高。

图2 东海表层沉积物中TOC分布(单位:mmol/g)Fig.2 Distribution of TOC in surface sediments of the East China Sea(unit:mmol/g)

进一步分析表明,该海域沉积物 TOC含量与沉积物类型和沉积物粒径密切相关,随沉积物中砂质含量的增大和沉积物粒径的增大而减小(表3)。TOC高值往往出现在粘土质粉砂类沉积物中,包括 C0608,C1001、C1002以及 C0501等站位,平均浓度为495.9mmol/g(表3);TOC低值往往出现在砂质粉砂或者粉砂质砂类沉积物中,包括 DH2-2、C0401等站位,平均浓度仅为194.4mmol/g(表3)。这与于培松等(2011)的研究结果基本一致。这主要是由于沉积物中黏土质含量越高,粒径越小,沉积颗粒的表体比就越大,有机质越易吸附于其表面,对有机质富集作用就越高;而且粒径小沉积颗粒通透性差,有机质的生物可利用性较小,有利于有机质的保存(梁琴等,1983;卢龙飞等,2006)。

值得注意的是,位于冲绳海槽北端的站位C0608的TOC含量高达1441.7mmol/g,远远高于其他站位。这与文献报道结果基本一致,张宗雁等(2005)调查结果表明,位于冲绳海槽海域表层沉积物中 TOC高达850.0mmol/g,明显高于东海其他泥质区表层 TOC含量;位于该海域的柱状沉积物中腐殖质和富里酸等有机质也高达755.0mmol/g(郑士龙等,1993)。这主要是由于冲绳海槽海域是生物碎屑、陆源碎屑等高有机质含量沉积物的富集区,且水深超过 500m,沉积物主要由小粒径的泥质和粉砂质组成(两者之和占 95%以上),能够很好的保存有机质(潘志良等,1986;袁迎如等,1987)。

表2 各海域沉积物中TOC、NS含量分布Tab.2 Concentrations of TOC and NS in sediment

表3 东海表层沉积物中TOC、NS、%OC在不同沉积类型的分布情况Tab.3 Distributions of TOC,NS,and NS_%OC in different sediments in surface sediments of the East China Sea

2.2 东海表层沉积物中性糖(NS)分布特点

该海域的 NS浓度为 0.40—4.87mmol/g,平均值为(3.07±0.31)mmol/g,最大值出现在浙闽沿岸海域站位 C0702和冲绳海槽站位 C0608,分别为 4.87、4.70mmol/g;最小值出现在长江口以北站位 DH2-2、DH1-2,分别为0.40、0.59mmol/g(表1和图3)。从东海表层沉积物中 NS含量与TOC含量的相关性来看(除站位 C0608),二者具有一定相似的来源(R2=0.60,P＜0.01)。并且与 TOC分布特点一样,浙闽沿岸海域沉积物中NS含量也明显高于长江口邻近海域,这也与浙闽沿岸春夏季大规模暴发赤潮产生大量活性有机质和该海域的泥质沉积环境有关。

NS作为有机物中容易被生物降解利用的组分,了解其在沉积物中的含量变化和影响因素对于研究有机物中可被生物利用组分的降解、迁移转化过程等具有重要意义(Cowieet al,1994;Pakulsikiet al,1994)。NS与沉积物的沉积类型有密切联系(表3),其含量总体趋势为在粘土质粉砂、粉砂、砂-粉砂-粘土、砂质粉砂、粉砂质砂中依次减少,即随着颗粒物粒径的增大,NS含量逐渐减少,这与TOC在不同沉积类型中的分布趋势一样。除了沉积类型导致 TOC、NS呈现如此的分布特点外,还与有机质的来源有关。长江口以南包括浙江沿岸沉积物都受到长江输入的影响,长江每年向东海输入约为 0.5×1012kg颗粒态物质,其中包括2—5×109kg的有机物质(Wuet al,2007;Wanget al,2008)。大量的有机物质经过长江冲淡水搬运、沉积下来,也是导致该海域有机物质丰富的原因之一。相反,长江口以北海域,受长江输入影响小,且北上没有大的河流输入,该海域有机质含量相对偏低。

图3 东海表层沉积物中NS分布(单位:mmol/g)Fig.3 Distribution of NS in surface sediments of the East China Sea(unit:mmol/g)

2.3 东海表层沉积物中性糖碳占 TOC摩尔百分比(%OC)分布特点

东海表层沉积物中性糖碳占TOC的摩尔百分比(%OC)分布如图4。其中,最大值出现在站位C0508,为8.93%;最小值出现在站位C0608,为1.88%。整体上长江口以北海域的%OC值偏低,长江口邻近海域以南以及浙闽沿岸邻近海域的%OC值相对较高。

研究表明,海水中的%OC值一般作为指示溶解有机物(DOM)新鲜程度和生物降解程度的良好指标(Amonet al,2001;Benner,2002a,b),并与NS含量有着较强的正相关性,其值越大表明DOM的新鲜程度和生物可利用性越高。但从沉积物中%OC与TOC、NS的相关性可以看出,其相关性并不明显(R2分别为0.018和0.167),这是由于NS本身极易降解,在悬浮颗粒物沉降过程中已经被微生物改造利用,即以%OC为指标适合有机质早期的成岩作用(Cowieet al,1994),而不适合已经发生降解的沉积物;%OC在沉积类型中的行为与TOC、NS类似(表3),以砂-粉砂-粘土中最高(5.16%),其次是粘土质粉砂、粉砂、砂质粉砂、粉砂质砂。

图4 东海表层沉积物中%OC分布(单位:%)Fig.4 Distribution of %OC in surface sediments of the East China Sea(unit:%)

2.4 东海表层沉积物中性糖组分分布特点

中性糖主要包括海藻糖(Fuc)、鼠李糖(Rha)、阿拉伯糖(Ara)、半乳糖(Gal)、葡萄糖(Glc)、甘露糖(Man)、木糖(Xyl)。将研究海域全部沉积物中性糖组分占中性糖的摩尔百分比(表1)求平均,得到如图5分布趋势。可以看出研究海域表层沉积物中mol% Glc(Glc占中性糖的摩尔百分比)占比最高,平均达到27.81%;其次是mol% Gal(Gal占中性糖的摩尔百分比)、mol%Man(Man占中性糖的摩尔百分比),而mol% Fuc(Fuc占中性糖的摩尔百分比)和 mol% Rha(Rha占中性糖的摩尔百分比)占比较小,都不足10%。相对于美国华盛顿沿岸海域沉积物中中性糖的组分组成(Keilet al,1998),其分布情况类似,不同之处是在华盛顿海域大陆架和低氧区沉积物中 mol% Glc所占优势降低,但mol% Fuc和mol% Rha占比有所升高。

将中性糖组分按照不同沉积类型进行分析(图6)可以看出,在不同沉积类型中,mol% Glc占比最高,其次是mol% Gal,而mol% Fuc和mol% Rha最低。mol% Glc随着沉积粒径的增大而增大;而mol% Gal、mol% Man和mol% Xyl则随着沉积粒径的增大而减小;mol% Fuc和mol% Rha占比基本保持不变。相比较而言,随着沉积粒径的增大,mol% Glc占比增大,而其他中性糖组分的摩尔百分比变化则较小。

图5 东海以及华盛顿沿岸表层沉积物中性糖组分占中性糖的摩尔百分比(华盛顿海域数据来自Keil et al,1998)Fig.5 Comparison in mole percentage of neutral sugars composition in surface sediments between the East China Sea and the Washington coast(data from Keil et al,1998)

图6 东海表层沉积物中中性糖组分在不同沉积类型中的分布特点Fig.6 Distribution of neutral sugars composition in the different sediments of the East China Sea

2.5 中性糖在有机质降解中的指示作用

中性糖作为有机质中容易降解的组分,其变化可被用来指示有机物的降解程度。在溶解态中性糖的生物降解试验中发现,中性糖的主要组成Glc的摩尔百分比在整个培养过程中逐渐减少,而脱氧核糖(Fuc,Rha)摩尔百分比逐渐增加(Ittekkotet al,1981;Benneret al,2001;Hamaet al,2001)。为进一步了解东海表层沉积物中性糖的降解程度,根据中性糖碳占总有机碳的摩尔百分比(%OC)将东海表层沉积物划分为两部分(Amonet al,2003),“新鲜的”或者可利用的中性糖沉积物(%OC＞5%)和“老的”或者不易降解的中性糖沉积物(%OC＜3%)。用“老的”沉积物中各个中性糖组分减去相应的“新鲜的”中性糖组分可以看出(图7),Glc、Rha、Fuc的摩尔百分比在降解过程中富集,而其他中性糖的摩尔百分比在降解过程中逐渐减少,以 Man和 Ara降低最为显著。脱氧核糖的摩尔百分比在降解过程中升高的这一结果与文献报道一致,这是由于脱氧核糖在浮游植物和细菌体内合成富集,而在维管植物体内被利用而减少所致(Hamiltonet al,1988;Wilsonet al,1993;Cowieet al,1994)。但本研究发现,在生物降解过程中,Glc摩尔百分比不仅没有降低反而升高,这主要是由于Glc作为主要的能源贮藏物质,其贮藏形式为同多糖和杂多糖;而同多糖多存在于新鲜植物体内,在生物降解过程中被优先利用,导致杂多糖在沉积物中被等摩尔富集,其摩尔占比升高(Hamaet al,2001)。与在其他海域得到的超滤溶解有机物质(UDOM)样品中中性糖各组分变化结果相比较可以看出(图7),除了 Rha摩尔占比变化趋势不一样外,其余中性糖组分的变化趋势基本一致(McCarthyet al,1996;Skooget al,1997;Keilet al,1998)。

图7 中性糖在“新鲜的”和“老的”样品中各个组分的变化情况Fig.7 The composition changesof neutral sugars between fresh and old samples

结合文献报道结果,进一步分析中性糖各组分在不同新鲜程度的沉积物中所占比值的变化,发现富集类的Glc和Fuc摩尔百分比之和(mol%(Glc+Fuc))与降解类的 Gal和 Ara摩尔百分比之和(mol%(Gal+Ara))之间具有良好的相关性,可基本反映沉积物的降解程度。利用 mol%(Glc+Fuc)与 mol%(Gal+Ara)比值分别得到东海表层沉积物中性糖降解程度分布情况(图8)以及两者之间的相关性(图9)。比较新鲜的表层沉积物具有较少的Ara和Gal,而含有丰富的 Glc和 Fuc,即 mol%(Glc+Fuc)/mol%(Gal+Ara)值越大,降解程度相对就越小,反之亦然。从图8可以看出,mol%(Glc+Fuc)/mol%(Gal+Ara)最大值出现在站位DH1-6、DH2-2,分别为2.69、2.53;最小值出现在站位C0508、C0608,分别为0.65、0.68,说明站位 DH1-6、DH2-2有机质的降解程度最小,站位C0508、C0608的有机质降解程度最大。整体而言,长江口邻近海域沉积物的降解程度比浙闽邻近海域沉积物的降解程度小,这与氨基酸的降解指数指示该海域沉积物降解程度一致(数据未发表)。文献表明,运用 mol%(Glc+Fuc)与 mol%(Gal+Ara)比值分别对大西洋、太平洋、北冰洋不同深度的UDOM样品分析,同样发现随着水深增加,mol%(Glc+Fuc)/mol%(Gal+Ara)越小,降解程度越大(McCarthyet al,1996;Skooget al,1997;Amonet al,2003)。这表明mol%(Glc+Fuc)/mol%(Gal+Ara)可以作为指示沉积物生物降解程度的指标来判断沉积物的降解程度大小。

图8 东海表层沉积物中Glc和Fuc摩尔百分比之和与Gal和Ara摩尔百分比之和的比值分布Fig.8 Distribution of mol%(Glc+Fuc)/mol%(Gal+Ara)in surface sediments of the East China Sea

图9 东海表层沉积物中Glc和Fuc摩尔百分比之和(mol%(Glc+Fuc))与Gal和Ara摩尔百分比之和(mol%(Gal+Ara))相关性分析Fig.9 Correlation between mol%(Glc+Fuc)and mol%(Gal+Ara)in surface sediments of the East China Sea

3 结论

(1)东海表层沉积物中 TOC和 NS含量均较高,平 均 含 量 分 别 达 到(409.4±55.2)mmol/g 和(3.07±0.31)mmol/g。二者的分布趋势一致,浙闽沿岸海域TOC、NS含量总体高于长江口及邻近海域,且它们都随沉积物粒径增大而减小,即在粘土质粉砂、粉砂、砂-粉砂-粘土、砂质粉砂、粉砂质砂中含量依次减少。

(2)东海表层沉积物中性糖组分中,mol% Glc最大,其次是mol% Gal和mol% Man,而mol% Fuc和mol% Rha最小;随着沉积粒径的增大,mol% Glc增大,而mol% Gal、mol% Man和mol% Xyl占比减小,其他组分摩尔百分比则基本不变;

(3)对于发生严重降解的沉积物,中性糖占有机碳的碳摩尔百分比(%OC)不适合作为有机物降解程度的指示物;而中性糖组分 mol%(Glc+Fuc)/mol%(Gal+Ara)值可以作为判断沉积物的降解程度的指示参数,其值越大,表明沉积物降解程度越小。

致谢 本论文中性糖的测定是在美国南卡罗莱纳大学海洋与生命科学学院Ronald Benner教授实验室完成的,Ronald Benner教授对论文的撰写给了许多有益的建议,Karl Kaiser博士在样品测定和数据处理方面给予具体指导,沈渊博士生在数据处理方面也给了许多有益的帮助,在此一并致以衷心的感谢。

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附——中性糖测定原始谱图：

1.空白谱图

2.标准谱图

3.样品谱图

谱图中峰分别代表1:海藻糖(Fuc);2:脱氧核糖(内标);3:鼠李糖(Rha);4:阿拉伯糖(Ara);5:半乳糖(Gal);6:葡萄糖(Glc);7:甘露糖(Man);8:木糖(Xyl)