東海表層沉積物中中性糖的賦存特征及其在有機質降解中的指示*

張桂成 梁生康① 石曉勇, 王修林

(1.中國海洋大學海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室 青島 266100;2.中國海洋大學化學化工學院 青島 266100;3.國家海洋局減災中心 北京 100194)

碳水化合物可分為中性糖、氨基糖和糖醛酸等,是海洋有機質的重要組分(Cowieet al,1994),浮游植物細胞、顆粒有機碳、溶解有機碳中碳水化合物的質量占比分別可達 20%—40%、13%—15%、32%。(Parsonset al,1984;Tanoueet al,1987;Bhosleet al,1992;Pakulsikiet al,1994)。作為重要的活性碳庫,中性糖(Neutral Sugars,NS)易被生物降解和利用,其在有機碳中的組成、分布等賦存特征對于了解有機質的來源、組成和生物地球化學過程等具有重要的指示意義。Ittekkot等(1984)利用中性糖組分中阿拉伯糖(Ara)與海藻糖(Fuc)的比值來反映海洋沉積物中鈣源和硅源的相對輸入含量;Cowie等(1994)將中性糖和氨基酸占總有機碳的比例之和作為指示海洋沉積環境有機物新鮮程度的判斷指標;在灣口河口區域,通過沉積物中葡萄糖在中性糖中占比降低,而海藻糖和鼠李糖等脫氧核糖在中性糖中的占比升高,可以判斷該區域有機物發生了深度的降解(Hedgeset al,1994;Hamiltonet al,1998)。

作為世界上最大的陸架海之一,東海東鄰西北太平洋,受到黑潮的強烈影響;西接中國大陸,陸海相互作用強烈,長江攜帶大量有機物進入東海(Wanget al,2008)。同時,長江口及其鄰近海域富營養化程度嚴重,已經成為世界赤潮高發區之一,浮游植物現場生產旺盛,大量的浮游植物消亡后產生有機碎屑進入沉積物中(Gonget al,2000)。目前,對于東海有機質的物源和歸宿等工作已經大量展開,其研究內容不僅涉及碳、氮含量及其同位素組成,也涉及木質素、氨基酸、烷烴和脂肪酸等生物標志物的含量和組成(Kaoet al,2003;Jenget al,2004;Zhuet al,2008;邵亮,2010);但對東海沉積物中性糖的研究則尚未展開。本文通過測定東海24個表層沉積物中中性糖的含量和組成,結合沉積物有機碳和總氮含量及其比值等參數,分析東海表層沉積物有機質的分布、來源及其降解程度。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

樣品分別來自于2009年4—5月和2010年6月國家973項目春季航次調查取得的表層(0—2cm)沉積物,站位如圖1所示,其中站位DH1-6、DHa-2為重力柱狀樣,數據處理選用表層 0—2cm作為表層沉積物樣品。采樣站位區域大體分為長江口及其鄰近海域和浙閩鄰近海域兩部分。除位于沖繩海槽的 C0608站位水深達 519m外,其余站位取樣水深都在 100m以淺,沉積物類型以粘土質粉砂為主(表1)。

圖1 東海海域環流、沉積物泥質區域示意圖(根據Qin et al,1987修改)及其表層沉積物采樣站位Fig.1 Sampling stations,ocean circulations,and clayey sediment distribution in the East China Sea(modified after Qin et al,1987)

1.2 樣品分析方法

總有機碳(TOC)、總氮(TN):準確稱取一定量冷凍干燥、研磨均勻的樣品于450°C灼燒過的玻璃瓶中,加入 4mol/L的鹽酸,振蕩至無氣泡冒出,并超聲5min,離心去除上清液,并用 Milli-Q水洗至中性,置于烘箱中55°C下烘干(48h)。稱取適量處理過的樣品,經Flash 2000元素分析儀測定。

沉積類型:取一定量樣品經濃度為 4%的六偏磷酸鈉溶液浸泡后,用超聲波振蕩分散,采用 Coulter LS-100Q型激光粒度儀進行分析,粒度分析間隔為1Φ。沉積物的分類和命名根據 Shepard(1954)提出的三角圖進行分類和命名。

中性糖:準確稱取一定量經過冷凍干燥、研磨均勻的樣品于450°C灼燒過的玻璃瓶中,加入12mol/L的H2SO4在常溫下水解3h,然后用Milli-Q水稀釋到H2SO4濃度為1.2mol/L,并在 100°C下水解3h;冷卻后加入脫氧核糖作為內標,使其濃度為200nmol/L左右;經過混合陰陽離子交換分離柱(Bio-Rad AG 2-X8樹脂,20—50目;Bio-Rad AG 50W-X8樹脂,100—200目)脫鹽、蒸發,Milli-Q水溶解,在進色譜系統前用氦氣脫氣2min除去氧氣。在等濃度為24mmol/LNaOH、流速為1mL/min下用PA-1柱分離中性糖,用脈沖離子液相色譜(Dionex 500)直接測定(Skooget al,1997)。中性糖標準樣品譜圖、沉積物樣品譜圖和空白對照譜圖見附件一。方法精密度以各中性糖組分峰面積響應的總體標準差來表征,標準樣的相對標準偏差為3.7%(n=13),回收率為72%—107%。

2 結果及討論

2.1 東海表層沉積物中有機碳(TOC)分布特點

調查海域的TOC濃度在66.8—1441.7mmol/g,平均值為(409.4±55.2)mmol/g,最大值出現在沖繩海槽區域的 C0608站位(1441.7mmol/g),最小值出現在長江口偏北海域的DH2-2站位(66.8mmol/g)。整體而言,長江口及其鄰近海域的 TOC濃度低于浙閩沿岸海域(表1,圖2)。這與兩個區域TOC的來源不同有關,前者不僅來源于長江所攜帶的陸源有機質,也來源于海域自身所產生的有機質;后者則主要來源于海源自身生產的有機質,由于該海域為高富營養化和高生產力海域,特別是每年春夏季暴發的大規模赤潮(龍華等,2008),導致該海域沉積物有機質濃度較高。

圖2 東海表層沉積物中TOC分布(單位:mmol/g)Fig.2 Distribution of TOC in surface sediments of the East China Sea(unit:mmol/g)

進一步分析表明,該海域沉積物 TOC含量與沉積物類型和沉積物粒徑密切相關,隨沉積物中砂質含量的增大和沉積物粒徑的增大而減小(表3)。TOC高值往往出現在粘土質粉砂類沉積物中,包括 C0608,C1001、C1002以及 C0501等站位,平均濃度為495.9mmol/g(表3);TOC低值往往出現在砂質粉砂或者粉砂質砂類沉積物中,包括 DH2-2、C0401等站位,平均濃度僅為194.4mmol/g(表3)。這與于培松等(2011)的研究結果基本一致。這主要是由于沉積物中黏土質含量越高,粒徑越小,沉積顆粒的表體比就越大,有機質越易吸附于其表面,對有機質富集作用就越高;而且粒徑小沉積顆粒通透性差,有機質的生物可利用性較小,有利于有機質的保存(梁琴等,1983;盧龍飛等,2006)。

值得注意的是,位于沖繩海槽北端的站位C0608的TOC含量高達1441.7mmol/g,遠遠高于其他站位。這與文獻報道結果基本一致,張宗雁等(2005)調查結果表明,位于沖繩海槽海域表層沉積物中 TOC高達850.0mmol/g,明顯高于東海其他泥質區表層 TOC含量;位于該海域的柱狀沉積物中腐殖質和富里酸等有機質也高達755.0mmol/g(鄭士龍等,1993)。這主要是由于沖繩海槽海域是生物碎屑、陸源碎屑等高有機質含量沉積物的富集區,且水深超過 500m,沉積物主要由小粒徑的泥質和粉砂質組成(兩者之和占 95%以上),能夠很好的保存有機質(潘志良等,1986;袁迎如等,1987)。

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

表3 東海表層沉積物中TOC、NS、%OC在不同沉積類型的分布情況Tab.3 Distributions of TOC,NS,and NS_%OC in different sediments in surface sediments of the East China Sea

2.2 東海表層沉積物中性糖(NS)分布特點

該海域的 NS濃度為 0.40—4.87mmol/g,平均值為(3.07±0.31)mmol/g,最大值出現在浙閩沿岸海域站位 C0702和沖繩海槽站位 C0608,分別為 4.87、4.70mmol/g;最小值出現在長江口以北站位 DH2-2、DH1-2,分別為0.40、0.59mmol/g(表1和圖3)。從東海表層沉積物中 NS含量與TOC含量的相關性來看(除站位 C0608),二者具有一定相似的來源(R2=0.60,P＜0.01)。并且與 TOC分布特點一樣,浙閩沿岸海域沉積物中NS含量也明顯高于長江口鄰近海域,這也與浙閩沿岸春夏季大規模暴發赤潮產生大量活性有機質和該海域的泥質沉積環境有關。

NS作為有機物中容易被生物降解利用的組分,了解其在沉積物中的含量變化和影響因素對于研究有機物中可被生物利用組分的降解、遷移轉化過程等具有重要意義(Cowieet al,1994;Pakulsikiet al,1994)。NS與沉積物的沉積類型有密切聯系(表3),其含量總體趨勢為在粘土質粉砂、粉砂、砂-粉砂-粘土、砂質粉砂、粉砂質砂中依次減少,即隨著顆粒物粒徑的增大,NS含量逐漸減少,這與TOC在不同沉積類型中的分布趨勢一樣。除了沉積類型導致 TOC、NS呈現如此的分布特點外,還與有機質的來源有關。長江口以南包括浙江沿岸沉積物都受到長江輸入的影響,長江每年向東海輸入約為 0.5×1012kg顆粒態物質,其中包括2—5×109kg的有機物質(Wuet al,2007;Wanget al,2008)。大量的有機物質經過長江沖淡水搬運、沉積下來,也是導致該海域有機物質豐富的原因之一。相反,長江口以北海域,受長江輸入影響小,且北上沒有大的河流輸入,該海域有機質含量相對偏低。

圖3 東海表層沉積物中NS分布(單位:mmol/g)Fig.3 Distribution of NS in surface sediments of the East China Sea(unit:mmol/g)

2.3 東海表層沉積物中性糖碳占 TOC摩爾百分比(%OC)分布特點

東海表層沉積物中性糖碳占TOC的摩爾百分比(%OC)分布如圖4。其中,最大值出現在站位C0508,為8.93%;最小值出現在站位C0608,為1.88%。整體上長江口以北海域的%OC值偏低,長江口鄰近海域以南以及浙閩沿岸鄰近海域的%OC值相對較高。

研究表明,海水中的%OC值一般作為指示溶解有機物(DOM)新鮮程度和生物降解程度的良好指標(Amonet al,2001;Benner,2002a,b),并與NS含量有著較強的正相關性,其值越大表明DOM的新鮮程度和生物可利用性越高。但從沉積物中%OC與TOC、NS的相關性可以看出,其相關性并不明顯(R2分別為0.018和0.167),這是由于NS本身極易降解,在懸浮顆粒物沉降過程中已經被微生物改造利用,即以%OC為指標適合有機質早期的成巖作用(Cowieet al,1994),而不適合已經發生降解的沉積物;%OC在沉積類型中的行為與TOC、NS類似(表3),以砂-粉砂-粘土中最高(5.16%),其次是粘土質粉砂、粉砂、砂質粉砂、粉砂質砂。

圖4 東海表層沉積物中%OC分布(單位:%)Fig.4 Distribution of %OC in surface sediments of the East China Sea(unit:%)

2.4 東海表層沉積物中性糖組分分布特點

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)。將研究海域全部沉積物中性糖組分占中性糖的摩爾百分比(表1)求平均,得到如圖5分布趨勢。可以看出研究海域表層沉積物中mol% Glc(Glc占中性糖的摩爾百分比)占比最高,平均達到27.81%;其次是mol% Gal(Gal占中性糖的摩爾百分比)、mol%Man(Man占中性糖的摩爾百分比),而mol% Fuc(Fuc占中性糖的摩爾百分比)和 mol% Rha(Rha占中性糖的摩爾百分比)占比較小,都不足10%。相對于美國華盛頓沿岸海域沉積物中中性糖的組分組成(Keilet al,1998),其分布情況類似,不同之處是在華盛頓海域大陸架和低氧區沉積物中 mol% Glc所占優勢降低,但mol% Fuc和mol% Rha占比有所升高。

將中性糖組分按照不同沉積類型進行分析(圖6)可以看出,在不同沉積類型中,mol% Glc占比最高,其次是mol% Gal,而mol% Fuc和mol% Rha最低。mol% Glc隨著沉積粒徑的增大而增大;而mol% Gal、mol% Man和mol% Xyl則隨著沉積粒徑的增大而減小;mol% Fuc和mol% Rha占比基本保持不變。相比較而言,隨著沉積粒徑的增大,mol% Glc占比增大,而其他中性糖組分的摩爾百分比變化則較小。

圖5 東海以及華盛頓沿岸表層沉積物中性糖組分占中性糖的摩爾百分比(華盛頓海域數據來自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)

圖6 東海表層沉積物中中性糖組分在不同沉積類型中的分布特點Fig.6 Distribution of neutral sugars composition in the different sediments of the East China Sea

2.5 中性糖在有機質降解中的指示作用

中性糖作為有機質中容易降解的組分,其變化可被用來指示有機物的降解程度。在溶解態中性糖的生物降解試驗中發現,中性糖的主要組成Glc的摩爾百分比在整個培養過程中逐漸減少,而脫氧核糖(Fuc,Rha)摩爾百分比逐漸增加(Ittekkotet al,1981;Benneret al,2001;Hamaet al,2001)。為進一步了解東海表層沉積物中性糖的降解程度,根據中性糖碳占總有機碳的摩爾百分比(%OC)將東海表層沉積物劃分為兩部分(Amonet al,2003),“新鮮的”或者可利用的中性糖沉積物(%OC＞5%)和“老的”或者不易降解的中性糖沉積物(%OC＜3%)。用“老的”沉積物中各個中性糖組分減去相應的“新鮮的”中性糖組分可以看出(圖7),Glc、Rha、Fuc的摩爾百分比在降解過程中富集,而其他中性糖的摩爾百分比在降解過程中逐漸減少,以 Man和 Ara降低最為顯著。脫氧核糖的摩爾百分比在降解過程中升高的這一結果與文獻報道一致,這是由于脫氧核糖在浮游植物和細菌體內合成富集,而在維管植物體內被利用而減少所致(Hamiltonet al,1988;Wilsonet al,1993;Cowieet al,1994)。但本研究發現,在生物降解過程中,Glc摩爾百分比不僅沒有降低反而升高,這主要是由于Glc作為主要的能源貯藏物質,其貯藏形式為同多糖和雜多糖;而同多糖多存在于新鮮植物體內,在生物降解過程中被優先利用,導致雜多糖在沉積物中被等摩爾富集,其摩爾占比升高(Hamaet al,2001)。與在其他海域得到的超濾溶解有機物質(UDOM)樣品中中性糖各組分變化結果相比較可以看出(圖7),除了 Rha摩爾占比變化趨勢不一樣外,其余中性糖組分的變化趨勢基本一致(McCarthyet al,1996;Skooget al,1997;Keilet al,1998)。

圖7 中性糖在“新鮮的”和“老的”樣品中各個組分的變化情況Fig.7 The composition changesof neutral sugars between fresh and old samples

結合文獻報道結果,進一步分析中性糖各組分在不同新鮮程度的沉積物中所占比值的變化,發現富集類的Glc和Fuc摩爾百分比之和(mol%(Glc+Fuc))與降解類的 Gal和 Ara摩爾百分比之和(mol%(Gal+Ara))之間具有良好的相關性,可基本反映沉積物的降解程度。利用 mol%(Glc+Fuc)與 mol%(Gal+Ara)比值分別得到東海表層沉積物中性糖降解程度分布情況(圖8)以及兩者之間的相關性(圖9)。比較新鮮的表層沉積物具有較少的Ara和Gal,而含有豐富的 Glc和 Fuc,即 mol%(Glc+Fuc)/mol%(Gal+Ara)值越大,降解程度相對就越小,反之亦然。從圖8可以看出,mol%(Glc+Fuc)/mol%(Gal+Ara)最大值出現在站位DH1-6、DH2-2,分別為2.69、2.53;最小值出現在站位C0508、C0608,分別為0.65、0.68,說明站位 DH1-6、DH2-2有機質的降解程度最小,站位C0508、C0608的有機質降解程度最大。整體而言,長江口鄰近海域沉積物的降解程度比浙閩鄰近海域沉積物的降解程度小,這與氨基酸的降解指數指示該海域沉積物降解程度一致(數據未發表)。文獻表明,運用 mol%(Glc+Fuc)與 mol%(Gal+Ara)比值分別對大西洋、太平洋、北冰洋不同深度的UDOM樣品分析,同樣發現隨著水深增加,mol%(Glc+Fuc)/mol%(Gal+Ara)越小,降解程度越大(McCarthyet al,1996;Skooget al,1997;Amonet al,2003)。這表明mol%(Glc+Fuc)/mol%(Gal+Ara)可以作為指示沉積物生物降解程度的指標來判斷沉積物的降解程度大小。

圖8 東海表層沉積物中Glc和Fuc摩爾百分比之和與Gal和Ara摩爾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

圖9 東海表層沉積物中Glc和Fuc摩爾百分比之和(mol%(Glc+Fuc))與Gal和Ara摩爾百分比之和(mol%(Gal+Ara))相關性分析Fig.9 Correlation between mol%(Glc+Fuc)and mol%(Gal+Ara)in surface sediments of the East China Sea

3 結論

(1)東海表層沉積物中 TOC和 NS含量均較高,平 均 含 量 分 別 達 到(409.4±55.2)mmol/g 和(3.07±0.31)mmol/g。二者的分布趨勢一致,浙閩沿岸海域TOC、NS含量總體高于長江口及鄰近海域,且它們都隨沉積物粒徑增大而減小,即在粘土質粉砂、粉砂、砂-粉砂-粘土、砂質粉砂、粉砂質砂中含量依次減少。

(2)東海表層沉積物中性糖組分中,mol% Glc最大,其次是mol% Gal和mol% Man,而mol% Fuc和mol% Rha最小;隨著沉積粒徑的增大,mol% Glc增大,而mol% Gal、mol% Man和mol% Xyl占比減小,其他組分摩爾百分比則基本不變;

(3)對于發生嚴重降解的沉積物,中性糖占有機碳的碳摩爾百分比(%OC)不適合作為有機物降解程度的指示物;而中性糖組分 mol%(Glc+Fuc)/mol%(Gal+Ara)值可以作為判斷沉積物的降解程度的指示參數,其值越大,表明沉積物降解程度越小。

致謝 本論文中性糖的測定是在美國南卡羅萊納大學海洋與生命科學學院Ronald Benner教授實驗室完成的,Ronald Benner教授對論文的撰寫給了許多有益的建議,Karl Kaiser博士在樣品測定和數據處理方面給予具體指導,沈淵博士生在數據處理方面也給了許多有益的幫助,在此一并致以衷心的感謝。

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附——中性糖測定原始譜圖：

1.空白譜圖

2.標準譜圖

3.樣品譜圖

譜圖中峰分別代表1:海藻糖(Fuc);2:脫氧核糖(內標);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)