不同氮磷比對球形棕囊藻釋放含硫化合物及DMSP降解途徑的影響?

涂俊杰，高配配，劉春穎，李培峰??，楊桂朋

(1.中國海洋大學化學化工學院，海洋化學理論與工程技術教育部重實驗室，山東 青島 266100；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋生態與環境科學功能實驗室，山東 青島 266237)

二甲基硫(Dimethylsulfide，DMS)是從海洋釋放到大氣中最重要的揮發性生源含硫有機物[1-3]。浮游植物產生的DMS釋放到大氣中，被氧化成為二氧化硫和甲基磺酸鹽，形成硫酸鹽氣溶膠，增加云凝結核數量，進而影響云層對太陽光的反照率，對氣候變化起負反饋作用，在全球氣候變化中扮演了重要角色。同時，硫酸鹽氣溶膠對酸雨、酸霧的形成具有重要貢獻[4]。二甲巰基丙酸內鹽(Dimethylsulfoniopropionate，DMSP)是DMS的主要前體物質[5]，海洋中浮游微藻、大型藻類和鹽生植物都是DMSP的重要來源，但DMSP含量具有明顯的種間或株間差異性[6-7]。在高鹽缺氮條件下DMSP可作為藻類維持自身滲透壓平衡的調節劑，在低溫下DMSP具有抗冷凍作用，用于維持生物酶活性，與藻類生理脅迫有直接關系[8-10]。丙烯酸(Acrylic acid，AA)是DMSP的降解產物之一，DMSP可以通過裂解酶催化產生等摩爾的DMS和AA，還可以通過去甲基化途徑產生甲基硫醇鹽(3-methiolpropionate，MMPA)，MMPA再轉化為甲硫醇和AA[11]。DMS/AA代表DSMP酶裂解途徑占兩種降解途徑的比例，DMS/(DMSP+AA)代表DMS生產百分比，AA/(DMSP+AA)代表總DMSP的降解率。AA可作為細菌的主要碳源[12]，但在AA濃度較高時又可抑制細菌生長[13]。Yang等[14]發現夏季南極沿海棕囊藻暴發現場的AA濃度為0.001～0.510 μmol·L-1，與藻細胞密度呈現顯著的相關性。Gibson等[15]在南極浮游植物藻華期間測定表層海水AA濃度可以達到1.2 μmol·L-1。AA降解去除主要通過兩種途徑：微生物降解[16]和光化學氧化[17]。海洋環境中物理和化學因素，如溫度、鹽度、光照、微量元素和營養鹽等，都會對藻類生成DMSP、DMS和AA產生影響[18-21]，但目前沒有一致的定論。

球形棕囊藻(Phaeocystisglobosa)隸屬于定鞭藻門，是一種具有獨特形態和生態學特征廣泛分布于全球海洋的赤潮藻。該藻種是DMS和DMSP的高產藻種[22-25]。特別是在大規模球形棕囊藻藻華暴發的后期，會釋放高濃度的DMS和DMSP到環境中[22]。目前，對海洋中DMS分布與海-氣通量的研究較多[26-27]，而對球形棕囊藻藻華發生現場的DMS與DMSP通量研究較少。齊雨藻等[23]研究發現渤海海域球形棕囊藻藻華暴發現場DMSP濃度可達到354～471 nmol·L-1，DMS濃度在34～60 nmol·L-1之間，遠高于非藻華發生期間的DMS濃度(1.3～3.4 nmol·L-1)[28]，藻華發生期間的DMS濃度可達到非藻華期間的10～100倍[29]。Noordkamp等[30]發現球形棕囊藻體內的AA濃度高達1.3～6.5 μmol·L-1，原因在于高濃度的AA吸附在粘液層上從而影響其擴散。到目前為止，有關球形棕囊藻釋放生源硫化物的影響因素報道甚少。

在藻類的硫酸鹽同化還原釋放含硫化合物的過程中，營養鹽對藻類的光合作用有重要的影響。目前，對海洋大型藻類的研究較多[31-35]，而對浮游微藻研究較少。Li等[31]研究發現高氮高磷促進了滸苔對海水中溶解無機碳(DIC)的吸收同時導致海水pH的升高，對DIC吸收量達0.70 mmol·L-1，pH提升量為1.43。林慶瑩等[32]研究發現氮磷加富會促進瓦氏馬尾藻光合固碳能力，降低海水中DIC的濃度，提升海水pH。本論文以球形棕囊藻為研究對象，探究營養鹽對典型赤潮藻光合作用、生長狀況、釋放生源硫化物以及DMSP降解途徑的影響，從而為完善海洋硫循環的研究提供參考數據。

1 材料與方法

1.1 實驗方案

球形棕囊藻藻種取自于中國海洋大學海洋污染與生態化學實驗室。培養所用海水采自于中國東海(鹽度為32)，經0.45 μm醋酸纖維濾膜過濾，裝入2 L的錐形瓶中，并在121 ℃下高壓滅菌(高壓滅菌鍋，LDZX-50KBS，上海申安醫療器械廠)20 min，靜置冷卻至室溫后充分搖動以恢復溶解氣體含量。按照f/2配方[36]加入相應的營養物質，放置于光照培養箱(GXZ-380B，寧波江南儀器廠)中靜置培養。光暗比為12 h∶12 h，溫度為20 ℃，光照強度為6 000 Lux。為防止微藻沉淀以及保持藻液中的溶解氣體含量，每天充分搖晃培養瓶3～6次。進行預培養后取生長狀況良好的處于指數生長期的200 mL藻液以1∶10的比例接入預先配好的培養基中。培養基中氮磷比的設置以Redfield比值為基礎，設置硝氮濃度為883 μmol·L-1，調整培養液中的磷酸鹽濃度，使得氮磷比分別為4∶1、16∶1、40∶1和80∶1。

取樣分析：連續培養20 d，隔天定時(上午9:00)取樣，每組實驗設三個平行樣[37-38]。測定培養液的pH值、DIC濃度、球形棕囊藻細胞密度以及DMS、DMSP和AA的含量。

1.2 測定方法

pH的測定 利用Fisher-AR15 pH計和Ross-8102 pH電極對藻液pH(NBS標度)進行測定，儀器的精度為：±0.002，并根據溫度進行校正。

DIC的測定 采用溶解無機碳分析儀(AS-C2型，美國Apollo科技公司)進行測定，再根據美國Scripps海洋研究所生產的CRMs標準海水進行標定，精密度為0.1%。

藻細胞密度的測定 取5 mL藻液搖勻，用Lugol試劑對藻細胞固定、染色，然后用光學顯微鏡(CX31，日本Olympus公司)進行計數，每個樣品做三個平行樣，取其平均值換算為相應的藻細胞密度(藻細胞密度=藻細胞數目×104cells·mL-1)[39]。

DMS的測定 用無菌注射器取2 mL藻液于潔凈干燥的10 mL血清瓶中加蓋密封。用高純氮氣對樣品進行吹掃，定時3 min，樣品中的DMS被吹出后經Nafion干燥管進行干燥，然后于浸沒在液氮冷阱中的捕集管中富集。吹掃結束后，把捕集管取出迅速放入熱水浴(溫度>80℃)中進行加熱解析，使得載氣將捕集管中的DMS氣體攜帶進入氣相色譜儀(GC-6850，美國安捷倫公司)，經FPD檢測器進行檢測[40]。此方法的檢出限為0.4 nmol·L-1，精密度為5%[41]。

DMSP的測定 DMSP在pH>13的強堿條件下按1∶1的比例完全裂解為DMS和AA，所以可通過測定DMS的濃度間接測定藻液中的DMSP的濃度[42]。取2 mL的藻液，經玻璃纖維濾膜(Whatman GF/F，0.7 μm)減壓過濾(壓力<5 kPa)，過濾后的濾膜用于顆粒態DMSP(DMSPp)的測定，濾液用于溶解態DMSP(DMSPd)的測定。將濾膜置于42 mL的棕色瓶中，向瓶內加入2 mL 10 mol·L-1的NaOH溶液，加高純水至無頂空，并置于冰箱冷藏保存24 h以上；在含有濾液的棕色瓶中加入40 μL 50%的濃硫酸冷藏保存24 h后，向瓶中加入2 mL 10 mol·L-1的NaOH溶液，加高純水至無頂空，冷藏保存24 h后，此時DMSP完全堿解為DMS，然后根據測定DMS的方法間接測定藻液中的DMSPp和DMSPd。

AA的測定 將藻液經孔徑為0.2 μm的聚醚砜濾器過濾，密封冷藏保存。用高效液相色譜儀(L-2000，日本日立公司)測定[43]，流動相為0.35%的磷酸溶液和甲醇，采用流速為0.5 mL·min-1的微量進樣針，通過柱溫為40 ℃的Agilent SB-Aq-C18柱，用檢測波長為210 nm的紫外檢測器進行檢測。此方法的檢出限為4 nmol·L-1，精密度為1.3%～1.6%[44]。

1.3 統計分析

采用SPSS 16.0軟件中無重復雙因素方差分析法對不同氮磷比條件下的藻細胞密度、DMSP、DMS和AA含量進行顯著性差異分析。

2 結果與討論

2.1 不同氮磷比培養液對球形棕囊藻光合作用的影響

通過分析穩定期前(0～8 d)球形棕囊藻培養液的DIC和pH變化，探討不同氮磷比對球形棕囊藻光合作用的影響。DIC和pH相鄰兩次取樣的差值記為ΔDIC和ΔpH。培養體系初始DIC是2 100 μmol·kg-1，pH是8.10。除80∶1組外，各組ΔDIC均呈現先上升后下降的趨勢(見圖1)。而各組在2～8 d內ΔpH總體呈現上升的趨勢(見圖2)。各組單位時間DIC吸收量由大到小依次為：80∶1(147 μmol·kg-1·d-1)>16∶1(60 μmol·kg-1·d-1)>40∶1(57 μmol·kg-1·d-1)>4∶1(54 μmol·kg-1·d-1)，而單位時間pH提升量由大到小依次為：4∶1(0.13 d-1)>40∶1/80∶1(0.08 d-1)>16∶1(0.06 d-1)。不同培養組之間，隨氮磷比增加單位時間DIC吸收量呈現不同程度的增加(1.11倍；1.06倍；2.72倍)；而單位時間pH提升量呈現不同程度的減少(53.8%；38.5%；38.5%)。氮和磷作為重要的營養成分，對藻類的生理生化過程起著重要作用。適當增加營養鹽的濃度可以促進藻類對DIC的吸收，提升海水的pH，這與國內外的研究報道是一致的。已有大量研究發現，氮磷濃度增加對石莼[34-35]、龍須菜、孔石莼、海帶[45]以及滸苔[46]等的生長和光合固碳能力具有促進作用，而氮加富的促進能力強于磷，會提高藻類的最大光合作用速率，從而增強其對DIC的吸收能力。

圖1 不同氮磷比條件下球形棕囊藻的ΔDIC變化

圖2 不同氮磷比條件下球形棕囊藻的ΔpH變化

2.2 不同氮磷比對球形棕囊藻生長狀況的影響

在氮磷比為4∶1、16∶1、40∶1和80∶1條件下，球形棕囊藻的細胞密度總體變化范圍為(60～285)×104cells·mL-1。各組藻細胞密度平均值分別為(138±48、201±74、187±72和156±55)×104cells·mL-1。隨培養時間的增加，藻細胞密度呈現出先升高后降低的變化趨勢(見圖3)。四組氮磷比之間存在有明顯差異(P<0.05)。當氮磷比為16∶1和40∶1時，細胞密度達到峰值的時間相對延長，分別為第10和16天，其峰值分別為285×104和264×104cells·mL-1，大于其余兩組。當氮磷比為4∶1和80∶1時，藻細胞密度峰值相對較低，這可能是由于氮和磷濃度過低降低藻細胞的光合作用能力，阻礙藻細胞內谷氨酸、半胱氨酸絡合形成螯合物的過程[47]，從而影響藻類生長。當氮磷比為40∶1時，藻細胞密度在衰亡期降低幅度較大，這與朱蓉等[37]的研究結果一致，在超過最適宜的氮磷比(16∶1)后，過量吸收氮不利于藻細胞的生長[48]。

圖3 不同氮磷比條件下球形棕囊藻的細胞密度變化

2.3 不同氮磷比對球形棕囊藻釋放生源硫化物的影響

2.3.1 DMSPd 培養液中單位細胞DMSPd濃度的變化范圍為0.034～0.543 fmol·cell-1。氮磷比為4∶1、16∶1、40∶1和80∶1條件下DMSPd的平均值分別為(0.235±0.133)、(0.165±0.158)、(0.128±0.150)和(0.148±0.101)fmol·cell-1，組間無明顯差異(P>0.05)。DMSPd濃度變化的趨勢為先穩定在較低值，后迅速增加至峰值，再降低至較低值，生長后期再升高(見圖4)。DMSPd濃度的峰值出現在指數生長期或穩定期。DMSPd濃度增加的原因可能是在指數生長期細胞活性強，光合作用產生的DMSPd釋放到水體中；在生長后期細胞破裂，釋放出儲存在胞內的DMSP。不同氮磷比條件下，球形棕囊藻的單位細胞DMSPd濃度達到峰值的時間不同。當氮磷比為4∶1、16∶1、40∶1和80∶1時，分別在第8、8、6和12天達到最大值，最大值分別為0.480、0.421、0.543和0.348 fmol·cell-1。藻細胞培養液中的DMSPd主要由于細胞內的DMSP的自然滲透或細胞衰老分解而得到，所以DMSPd的變化主要取決于細胞內DMSP的生產能力[49]。

圖4 不同氮磷比條件下球形棕囊藻單位細胞DMSPd濃度的變化

2.3.2 DMSPp 培養液中單位細胞DMSPp的變化范圍為0.393～2.741 fmol·cell-1。氮磷比為4∶1、16∶1、40∶1和80∶1條件下DMSPd的平均值分別為(1.515±0.559)、(1.515±0.680)、(1.347±0.516)、(1.367±0.596)fmol·cell-1，組間無明顯差異(P>0.05)。相比于DMSPd，DMSPp與球形棕囊藻細胞密度變化趨勢更相近，都是先升高后降低，生長期后期小幅升高(見圖5)。DMSPp濃度的峰值出現在指數生長期后期或穩定期。當氮磷比為16∶1時，DMSPp在第12天出現峰值2.741 fmol·cell-1，明顯高于其他氮磷比條件下DMSPp的最大值。這說明磷和氮需要滿足一定比例才會促進細胞產生DMSPp，在本研究中當氮磷比為16∶1時會最大程度產生DMSPp。在DMSPp合成過程中，球形棕囊藻細胞生長對磷需求較高，磷直接參與光合作用的各個環節，包括光能吸收與碳同化、卡爾文循環以及對一些酶的活性調節等[50]。

圖5 不同氮磷比條件下球形棕囊藻單位細胞DMSPp濃度的變化

2.3.3 DMS 培養液中單位細胞DMS濃度的變化范圍為0～0.038 fmol·cell-1。氮磷比為4∶1、16∶1、40∶1和80∶1條件下DMS的平均值分別為(0.016±0.013)、(0.013±0.015)、(0.018±0.017)、(0.013±0.012)fmol·cell-1，組間無明顯差異(P>0.05)。在生長早期單位細胞釋放的DMS很少，在指數生長期后期迅速增加，穩定期或衰亡期前期達到峰值后又迅速減少(見圖6)。不同氮磷比條件下，DMS的最大值均出現在穩定期(第14天)，最大值分別為0.034、0.038、0.038和0.033 fmol·cell-1。氮磷比16∶1組和40∶1組的DMS濃度峰值較高，而這兩組的藻細胞密度也比另外兩組高，說明球形棕囊藻DMS釋放與藻類生長狀況有關。DMS釋放量在不同生長時期內的變化趨勢同時會受到DMSP濃度和DMSP裂解酶活性的影響，而DMSP裂解酶活性與藻細胞密度存在高度的相關性[51]。在穩定期和衰亡期前期，藻細胞密度達到峰值，細胞死亡破裂釋放DMSP裂解酶裂解DMSP，使其轉化為DMS從而導致DMS釋放量增加[52]。

圖6 不同氮磷比條件下球形棕囊藻單位細胞DMS變化

2.3.4 AA 培養液中單位細胞AA濃度的變化范圍為0.150～2.949 fmol·cell-1。氮磷比為4∶1、16∶1、40∶1和80∶1條件下AA的平均值分別為(1.053±0.567)、(1.840±0.842)、(1.771±0.247)、(1.368±0.842)fmol·cell-1，組間存在有明顯差異(P<0.05)。AA呈現出先升高再降低又升高，衰亡期再降低的趨勢(見圖7)。通常情況下，藻類釋放AA的濃度在生長后期達到最大值[19]。Yang等[16]調查發現球形棕囊藻藻華初期水體內含AA，但進入衰亡期后迅速降低至檢出限以下。Davidson等[53]研究發現細菌會侵入衰亡期的微藻，僅在指數生長期的水體內檢出AA。然而Noordkamp等[12]在無菌環境下培養球形棕囊藻，發現在衰亡期AA產生速率增加，藻細胞內AA濃度高于培養液，表明球形棕囊藻在衰亡期沒有檢出AA是由于細菌消耗而不是沒有產生。球形棕囊藻單位細胞釋放的AA對不同氮磷比變化較為敏感。本研究中當氮磷比為4∶1、16∶1時釋放的AA含量均在穩定期達到最大值，原因在于藻細胞破裂釋放DMSP裂解酶，引起DMSP大量裂解，導致AA濃度增加。另外，細胞內AA會被吸附在藻細胞內部的粘液層，當細胞破裂AA釋放到培養液中，AA濃度隨之增加。當氮磷比為16∶1時，AA釋放量在第12天達到最大值2.949 fmol·cell-1，與Gibson等[17]測定的夏季南極洲球形棕囊藻AA含量(9.76 fmol·cell-1)為同一數量級。當氮磷比為4∶1和16∶1時，AA釋放量整體上隨著氮磷比的升高而升高。當氮磷比為40∶1時，AA在整個生長周期內波動較小。而當氮磷比為80∶1時，AA濃度比16∶1和40∶1組小。這是由于磷濃度過低，影響了微藻的光合作用[12]，從而抑制了AA的產生。由氮磷比和球形棕囊藻單位細胞AA濃度的關系可看出，當氮磷比小于16∶1時，兩者成正比關系；當氮磷比大于16∶1時，兩者不存在線性關系。

圖7 不同氮磷比條件下球形棕囊藻的單位細胞AA變化

2.4 不同氮磷比對球形棕囊藻DMSP降解途徑的影響

2.4.1 DMS/AA 由DMSP兩種降解途徑可知，DMS/AA表示為DMSP酶裂解途徑占兩種降解途徑中的比例。DMS/AA的總體變化范圍為0.51%～26.53%。氮磷比為4∶1、16∶1、40∶1和80∶1條件下AA/(DMSP+AA)比值分別為0.82%～26.53%、0.51%～20.46%、1.01%～21.25%、0.80%～21.10%，平均值分別為(9.97±7.94)%、(8.21±7.21)%、(9.66±7.82)%、(10.58±7.77)%。球形棕囊藻的DMS/AA在指數生長期呈現上升趨勢，穩定期達到峰值，在衰亡期下降，與藻類生長曲線相似(見圖8)。當氮磷比為4∶1和16∶1時，DMS/AA比值的最大值出現在第16天，分別為26.53%和20.46%。當氮磷比為40∶1和80∶1時，DMS/AA比值的最大值較另外兩組提前(第14天)，且出現兩個峰值。在整個生長周期中，DMSP降解途徑各不相同，指數生長期前期DMS/AA較小，DMSP的去甲基化途徑為主要途徑。隨著藻細胞密度增加，DMSP酶裂解途徑也增加。在穩定期和衰亡期前期，細胞死亡破裂釋放裂解酶，DMSP酶裂解途徑達到最大但仍不是主要的降解途徑，此時DMS/AA達到峰值。Liu等[54]研究發現，海洋原甲藻、大洋橋石藻和亞心形扁藻的DMS/AA比值在整個生長期中均小于25%，表明DMS的酶裂解途徑不是DMSP的主要降解途徑。

圖8 不同氮磷比條件下球形棕囊藻的DMS/AA變化

2.4.2 DMS/(DMSP+AA) DMS代表DMSP通過酶裂解方式的含量，(DMSP+AA)代表DMSP已裂解和未裂解含量的總和，因而DMS/(DMSP+AA)表示為酶裂解途徑產生DMS所占百分比。DMS/(DMSP+AA)的總體變化范圍為0.25%～11.89%。氮磷比為4∶1、16∶1、40∶1和80∶1條件下AA/(DMSP+AA)比值分別為0.36%～8.13%、0.25%～8.95%、0.34%～11.16%、0.41%～11.89%，平均值分別為(3.43±2.96)%、(4.10±3.57)%、(5.14±4.24)%、(5.05±4.67)%。球形棕囊藻的DMS/(DMSP+AA)在指數生長期前期穩定在低值后期迅速上升，穩定期達到峰值，在衰亡期下降，與DMS變化曲線相似(見圖9)。當氮磷比為40∶1和80∶1時，第8～14天DMS/(DMSP+AA)比值迅速增加至峰值(0.60%～11.16%、0.99%～11.89%)，其他兩組變化相似但幅度較小。由于受到DMSP濃度和DMSP裂解酶活性的影響，DMS產生所占百分比在不同生長時期內的變化與藻細胞密度密切相關[51]。Tan等[55]研究夏季長江口及鄰近海域時發現，該地區DMS/(DMSP+AA)的平均比值小于20%，說明DMS產生過程是DMSP降解的次要途徑，與本研究結果一致。

圖9 不同氮磷比條件下球形棕囊藻的DMS/(DMSP+AA)變化

2.4.3 AA/(DMSP+AA) AA代表DMSP通過兩種降解途徑的含量，AA/(DMSP+AA)表示為DMSP表觀降解百分比。AA/(DMSP+AA)的總體變化范圍為6.02%～70.04%。氮磷比為4∶1、16∶1、40∶1和80∶1條件下AA/(DMSP+AA)比值分別為11.03%～53.50%、6.02%～68.19%、33.87%～69.34%、8.10%～70.04%，平均值分別為(32.22±13.95)%、(45.71±16.91)%、(51.15±11.00)%、(42.86±22.73)%。球形棕囊藻的AA/(DMSP+AA)在指數生長期前期先下降，再升高至穩定期達到峰值，后在衰亡期下降(見圖10)。當氮磷比為16∶1和40∶1時，DMSP降解百分數較高。當氮磷比為16∶1和40∶1時，AA/(DMSP+AA)比值的最大值出現在第14和16天，分別為68.19%和69.34%。當氮磷比為4∶1和80∶1時，AA/(DMSP+AA)的最大值較另外兩組提前(第12天)，且峰值較小(53.50%和62.64%)。不同氮磷比可能對酶的活性和含量以及初始DMSP濃度產生影響，從而導致DMSP表觀降解百分比的不同。Liu等[56]研究冬季黃渤海海域時發現，該區域AA/(DMSP-AA)平均比值為53.98%，與氮磷比為40∶1組結果接近。

圖10 不同氮磷比條件下球形棕囊藻的AA/(DMSP+AA)變化

3 結語

不同氮磷比對球形棕囊藻光合作用、生長狀況、釋放生源硫化物以及DMSP降解途徑會產生影響。氮磷比為80∶1時，培養液中單位時間DIC吸收量最大(147 μmol·kg-1·d-1)；而氮磷比為4∶1時，單位時間pH提升量最大(0.13 d-1)。氮磷比為16∶1和40∶1時，最大藻細胞密度較高(285×104和264×104cells·mL-1)，且穩定生長期相對延長。氮磷比為40∶1時，培養液中單位細胞DMSPd和DMS濃度達到峰值(0.543和0.038 fmol·cell-1)；氮磷比為16∶1時，DMSPp、DMS和AA濃度達到峰值(2.741、0.038和2.949 fmol·cell-1)。氮磷比為4∶1時，DMS/AA達到峰值26.53%，DMSP酶裂解途徑占比最大。氮磷比為80∶1時，DMS/(DMSP+AA)達到峰值11.89%，DMS生產百分比最大。氮磷比為40∶1時，AA/(DMSP+AA)達到峰值69.34%，總DMSP降解率最大。總體而言，16∶1是球形棕囊藻釋放含硫化合物的最佳氮磷比值，不同氮磷比條件會影響DMSP降解途徑。