黃旭光,李順興,陳乙平,蔡添壽

(1.漳州師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)系,福建 漳州 363000;2.廈門大學(xué) 近海海洋環(huán)境國家重點實驗室,福建 廈門 361005)

鐵是海洋浮游植物的微量營養(yǎng)和催化元素[1],它在某種程度上可以限制海洋的初級生產(chǎn)力,又可誘發(fā)海洋赤潮的發(fā)生[2-3]。大量的研究證明了大洋中高營養(yǎng)鹽低葉綠素的海區(qū)中浮游植物的生長均受到鐵元素的限制[4-8]。施鐵實驗證明鐵可以激發(fā)這些海域的浮游植物特別是硅藻的迅速增殖[9]。

海水中鐵的存在形態(tài)按顆粒直徑可以分為：溶解態(tài)、膠體態(tài)和顆粒態(tài)。一般認為浮游植物只吸收可溶性的鐵元素,膠體態(tài)和顆粒態(tài)等只有被溶解釋放后才能供給浮游植物生長。而海水中高達 99%的鐵元素均以膠體態(tài)和顆粒態(tài)存在[10]。大量的研究認證了海水中可溶性鐵對海洋中浮游植物的生長有很強的控制作用[11-13]。溶解態(tài)的鐵有游離的 Fe(II)、Fe(III)以及其水解產(chǎn)物等,這些均為生物可直接利用的鐵。浮游植物通過細胞膜上的運輸位點吸收海水中的溶解態(tài) Fe(II)和Fe(III)[14]。海水中的Fe(II)會在短時間內(nèi)迅速氧化成 Fe(III),使其在海水中往往維持一個較低的濃度,水體中相當(dāng)濃度的Fe(II)也可來源于 Fe(III)的還原生成[15]。大量的研究表明水體中影響鐵形態(tài)的因素有pH值、光照、有機物等[15]。極少的研究關(guān)注了水體中的浮游植物對鐵元素的形態(tài)及價態(tài)的影響。李順興等[16-18]的相關(guān)研究認為浮游植物能引發(fā)微量元素的光還原和光溶解。

目前關(guān)于微量金屬形態(tài)和價態(tài)的研究集中在野外試驗。但是野外的試驗由于存在許多不可控因素,直接的野外試驗存在很大的不足。因此,用圍隔試驗來研究微量元素的價態(tài)轉(zhuǎn)換是一個很好的方法[19]。因為它容易控制,受外界環(huán)境影響比較小,不易發(fā)生大的變化。本文將調(diào)查分析東山灣海水中Fe元素價態(tài)和含量與相關(guān)參數(shù)間的相關(guān)性,通過圍隔試驗分析 Fe濃度和價態(tài)動態(tài)變化與相關(guān)參數(shù)間的關(guān)系,探討浮游植物對Fe的濃度和價態(tài)的影響機制。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與分析

樣品采集區(qū)域如圖1。樣品采集時間為2008年8月,11月。用采水器采集表層海水5L備測。各采樣點硝酸鹽、亞硝酸鹽、活性磷酸鹽、氨氮、葉綠素a、浮游植物等參數(shù)的測定均按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378- 2007)[20]。

圖1 采樣站位分布Fig.1 Location of the sampling stations

Fe(II)測定：25 mL比色管中加入 10 mL樣品(0.45 μm醋酸纖維膜過濾濾液)、加入1 mL 1%鹽酸溶液,1 mL 0.1%NH4F水溶液、加入2 mL 0.1%鄰菲羅啉水溶液,加入5 mL pH 4.5NaAC- HAC緩沖溶液稀釋到刻度,取上清液在 515 nm處分光光度法測定[21]。

總?cè)芙忤F測定：25 mL比色管中加入10 mL樣品(0.45 μm醋酸纖維膜過濾濾液),加入1 mL 1%鹽酸溶液,加入 1 mL 5%抗壞血酸靜置 5 min,加入 2 mL0.1%鄰菲羅啉水溶液,加入 5 mL pH4.5 NaACHAC緩沖溶液稀釋到刻度,取上清液在515 nm處分光光度法測定[21]。

Fe(III)濃度：為總?cè)芙忤F濃度減去 Fe(II)濃度即為Fe(III)濃度。

1.2 圍隔實驗

2008年8月,采取DS2和DS5站位的表層海水作為圍隔實驗取水地。先將聚乙烯材料制成的圍隔袋固定于近岸漁排裝置上,接著向聚乙烯圍隔袋內(nèi)倒入DS2和DS5站位的表層海水50L。每隔3 h對圍隔中Fe(II)與Fe(III)的含量及各參數(shù)進行測定。

1.3 圍隔加富實驗

2008年8月,采取DS2和DS5站位的表層海水作為圍隔加富實驗取水地。同時取兩處表層海水用GF/F膜過濾去除浮游植物的海水做對照,進行圍隔加富實驗(裝置同 1.2)。4種海水分相等 2部分各50 L(共8個處理),分別投入無機Fe(II)(FeSO4﹒7H2O),Fe(III)(Fe2(SO4)3)離子,添加可溶解態(tài) Fe(II),Fe(III)分別為20 μg/L。分別監(jiān)測海水中以上可溶解態(tài)Fe(II)與Fe(III)的含量及各參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各參數(shù)在東山灣的分布特征

表1顯示了所測的營養(yǎng)鹽、葉綠素及 Fe(II)和Fe(III)在研究區(qū)域的分布狀況。除DS1點外,其余采樣點均表現(xiàn)為夏季營養(yǎng)鹽高于秋季。DS1為漳江入?？谖恢?其受漳江水源影響較大,營養(yǎng)鹽濃度主要受益于漳江江水流入。東山灣海域內(nèi)夏、秋季活性磷酸鹽的含量為 0.019～0.075 mg/L,總氮鹽含量分布在0.213～0.626 mg/L之間。DS5區(qū)域氮、磷濃度較低,為貧營養(yǎng)程度[22],與之相比 DS2區(qū)域營養(yǎng)鹽濃度均較高,這反映了東山灣海區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)對海水質(zhì)量的影響。東山灣內(nèi),從DS1～DS3區(qū)域均為海水養(yǎng)殖區(qū)域,特別是DS2區(qū)域,海水養(yǎng)殖密度最高。該區(qū)域養(yǎng)殖產(chǎn)品主要為鮑魚等經(jīng)濟魚類,為了保證鮑魚的旺盛生長,漁農(nóng)往往投入過量的飼料,大多數(shù)未被鮑魚食用的飼料會在海水中分解,從而使該區(qū)域營養(yǎng)鹽濃度升高。DS4為東山灣與外海海水交匯區(qū)域,由于海水流速較大,不適合養(yǎng)殖經(jīng)濟魚類。該區(qū)域受到海水養(yǎng)殖污染影響較小。DS5區(qū)域為東山灣開放海域,其受到東山灣養(yǎng)殖污染很小,其營養(yǎng)鹽濃度偏低,可作為低營養(yǎng)對比研究。

分析了各參數(shù)與 Fe(II)和 Fe(III)濃度間的相關(guān)性。如圖2～圖4所示,雖然可溶性總鐵濃度與葉綠素 a濃度無明顯相關(guān)性,但 Fe(II) 濃度及其在總?cè)芙忤F中所占比例與浮游植物葉綠素 a呈正相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)分別為0.7959(P＜0.05)和0.9219(P＜0.001)。東山灣由于受到養(yǎng)殖污染影響,海水營養(yǎng)鹽濃度較高,海水中浮游植物生長也較旺盛。浮游植物生長過程中Fe也發(fā)揮著極為重要的作用[11-12]。在海水的環(huán)境下,高價Fe離子經(jīng)過還原形成較易為生物可利用形式后方能被浮游植物吸收利用。該結(jié)果與李順興等的研究結(jié)果相似,他們認為海水中浮游植物會誘發(fā)海水中 Se(VI)和 Sb(V)被光還原成 Se(IV)和Sb(III)[16-17]。浮游植物較多,生長越旺盛引起Fe(III)還原Fe(II)的能力越強,其濃度及其在總?cè)芙鈶B(tài)鐵中的比例也越高[15]。

對各采樣點浮游植物所屬種類及細胞數(shù)進行了觀察統(tǒng)計分析如表2。結(jié)果顯示,DS2采樣點浮游植物細胞數(shù)均遠高于其他區(qū)域,其細胞數(shù)量為 DS5采樣點的 2.9～3.8倍。這主要與兩采樣點營養(yǎng)鹽濃度相關(guān)。DS2與DS5兩處浮游植物種類數(shù)相差不大,均小于 DS1處。DS1為淡水與海水生態(tài)交錯區(qū)域,生物多樣性較高。各采樣點浮游植物組成無明顯差異,其中硅藻細胞總數(shù)均占總細胞數(shù)的80%以上。

表1 東山灣營養(yǎng)鹽、葉綠素a及Fe(II)、Fe(III)含量Tab.1 Concentrations of various nitrogen nutrients,chlorophyll a,Fe(II),and Fe(III) in Dongshan Bay

圖2 總?cè)芙忤F與葉綠素a含量相關(guān)性Fig.2 Correlation of concentrations of dissolve Fe and Chl.a

圖3 Fe(II)在總?cè)芙忤F中的比例與葉綠素a間的相關(guān)性Fig.3 Correlation of percentage of Fe(II) and Chl.a

圖4 Fe(II)濃度與葉綠素a間的相關(guān)性Fig.4 Correlation of concentrations of Fe(II) and Chl.a

2.2 現(xiàn)場圍隔實驗

圖5～圖7分別顯示了圍隔實驗時,DS2和DS5站點海水在一天中總?cè)芙忤F、Fe(II)濃度及其在總?cè)芙忤F中的比例的變化情況。由圖可以看出,兩海水中的總?cè)芙忤F的含量在中午 1點左右到達最低值,總?cè)芙忤F減少量為11.5%和17.4%。最高值與初始值相比較,葉綠素a較高的DS2站點海水中Fe(II)濃度增加較葉綠素a較低的DS5站點高0.053 μg/L。隨后總?cè)芙忤F的含量逐漸回升。經(jīng)過24 h后,總?cè)芙忤F依然減少約7.7%和8.7%。這可能是隨著光照強度的增加,海水中的浮游植物生長速度加快,迅速繁殖的浮游植物加速了對海水中可溶解鐵的大量吸附、吸收,使得海水中可溶解鐵的含量迅速減少。隨后,海水中膠體態(tài)或顆粒態(tài)中的鐵在光溶解作用下,釋放大量的Fe(III),補充了海水中的溶解鐵。

表2 浮游植物種類及細胞數(shù)統(tǒng)計Tab.2 Statistics of phytoplankton genus and cells

圖5 總?cè)芙忤F在24 h內(nèi)含量變化Fig.5 Variation of total dissolve iron in 24 hours

圖6 Fe (II)占總?cè)芙忤F的比例24 h內(nèi)變化Fig.6 Variation of percent of Fe (II) in 24 hours

DS2海水中Fe(II)濃度及其在總?cè)芙忤F中的比例基本成一致的變化規(guī)律。DS2和DS5兩站點海水中的變化幅度存在差異。隨著光照增強(最大光照值為7.8×104lx),到最大值時 DS2站點海水中 Fe(II)濃度及其在總?cè)芙忤F中的比例增加量分別是DS5站點的5.30與1.88倍。海水中的Fe(II)濃度相當(dāng)一部分來源于Fe(III)的還原[15]。Fe(III)的直接光還原反應(yīng)如下所示：

圖7 Fe (II) 濃度在24 h內(nèi)的變化Fig.7 Variation of Fe (II) concentration in 24 hours

光照強度和時間的加強促進了以上反應(yīng)的增強[18],因而海水中的Fe(II)濃度及其在總?cè)芙忤F中的比例均升高。24 h后,對DS2和DS5站點海水中的葉綠素a進行測定。數(shù)據(jù)顯示,DS2圍隔中葉綠素增加量比DS5高出6.8%。該結(jié)果進一步解釋了浮游植物葉綠素 a的增加會加速以上反應(yīng)的進行,是因為浮游植物在光合作用的同時促進了以上光還原反應(yīng)速度[16-17]。

2.3 圍隔加富實驗

表3為對DS2和DS5海水進行圍隔鐵加富實驗結(jié)果。各添加了Fe(II)和Fe(III)兩種價態(tài)的鐵離子。海水中存在的浮游植物生長需要吸收海水中鐵。24 h后,各海水中的溶解態(tài)鐵均存在不同程度的減少(無浮游植物的對照海水中減少量較小)。DS2海水中其浮游植物的種類和數(shù)量均高于 DS5中,使得該海水中溶解鐵的減少量高于 DS5。較多的浮游植物生長的同時吸附、吸收較多的溶解態(tài)鐵。

表3 添加Fe(II)和Fe(III)濃度24 h后相互轉(zhuǎn)化Tab.3 Transform of Fe (II) and Fe (III) after different iron addition

由表3可見,添加Fe(III)到DS2和DS5站點海水中。24 h后,溶液中的Fe(II)濃度均小幅升高,且DS2中升高的量要高于 DS5。海水中的浮游植物偏好于吸收海水中的鐵的形態(tài)為 Fe(II),可見海水中存在著大量的Fe(III)還原成Fe(II)。這主要來源于海水中的浮游植物在光照下對 Fe(III)的還原作用[15-18]。如表3所示,無論是DS2還是DS5海水中,無浮游植物的對照海水中 Fe(II)濃度均小于含浮游植物的試驗組?？梢?海水中的浮游植物的存在加速了Fe(III)的光還原過程。目前有兩種機制來解釋海洋中的浮游植物在Fe(III)轉(zhuǎn)化成Fe(II)中的作用：(a)海洋浮游生物細胞表明存在廣泛多樣 Fe(III)還原復(fù)合酶[23-25];(b)海洋浮游植物細胞表面的酸性基團既能結(jié)合鐵離子又能作為電子供體參與高價鐵離子的還原。浮游植物細胞表面的芳香簇酸性基團在光照的作用下形成羥自由基[26],這些羥自由基和有機物按照以下的反應(yīng)機理使得Fe(II)濃度增加：

添加Fe(II)到DS2和DS5兩海水中,24 h后,溶液中的 Fe(II)濃度大幅減少,Fe(III)濃度明顯升高,且兩海水中變化差異不明顯。這主要是因為海水中Fe(II)體系熱力學(xué)穩(wěn)定性較差,大量的 Fe(II)迅速被氧化[27]。

3 結(jié)論

(1)東山灣夏、秋季海水中的總?cè)芙忤F、Fe(II)濃度及其在總?cè)芙忤F中的比例均無明顯差異。各采樣點 Fe(II)濃度及其在總?cè)芙忤F中的比例均與海水中葉綠素 a濃度成正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為 0.7959、0.9219。東山灣海水中的浮游植物以硅藻為主,占總浮游植物細胞總數(shù)的80%以上。

(2)圍隔實驗證明,總?cè)芙忤F的濃度隨著光照強度的增加而減少,但Fe(II)濃度及其在總?cè)芙忤F中的比例均增加。浮游植物的存在促進了 Fe(III)被光還原成Fe(II),浮游植物越多,光還原反應(yīng)越強。

(3)圍隔加富實驗證明,添加的 Fe(II)能在海水中被氧化成Fe(III),Fe(III)能在浮游植物的誘導(dǎo)下光還原成 Fe(II),浮游植物越多,還原產(chǎn)物 Fe(II)濃度及其在總?cè)芙忤F中的比例越高。

[1]楊東方,譚雪靜.鐵對浮游植物生長影響的研究進展[J].海洋科學(xué),1999,23(3)：48-49.

[2]林昱,莊棟法,陳孝麟,等.初析赤潮成因研究的圍隔實驗結(jié)果——幾個理化因子與硅藻赤潮的關(guān)系[J].海洋與湖沼,1994,25 (2)：139-145.

[3]唐松.印度洋海水營養(yǎng)鹽添加模擬實驗中浮游植物生長的營養(yǎng)鹽限制作用[J].海洋科學(xué),2010,34(7)：34-40.

[4]Boyd P W.The role of iron in the biogeochemistry of the Southern Ocean and equatorial Pacific;A comparison of in situ iron enrichments[J].Deep Sea Research II,2002,49：1803-1821.

[5]Hannon E,Boyd P W,Silvoso M,et al.Modeling the bloom evolution and carbon flows during Soiree：Implications for future in situ iron enrichments in the Southern Ocean[J].Deep Sea Research II, 2001,48：2745-2773.

[6]Bowie A R,Maldonado M T,Frew R D,et al.The fate of added iron during a mesoscale fertilization experiment in the Southern Ocean [J].Deep Sea Research II,2001,48：2703-2743.

[7]Timmermans K R,Gledhill M,Nolting R F,et al.Responses of marine phytoplankton in iron enrichment experiments in the northern North Sea and northeast Atlantic Ocean [J].Marine Chemistry,1998,61：229-242.

[8]Martin J H.The case for iron [J].Limnol Oceanorg,1991,36：1793-1802.

[9]Boyd P W,Watson A J,Law C S,et al.A mesoscale phytoplankton bloom in the polar Southern Ocean stimulated by iron fertilization [J].Nature,2000,407：695-702.

[10]張莉,楊桂朋.海洋中鐵、錳、銅等過渡金屬元素的光化學(xué)研究進展[J].海洋科學(xué),2000,24(10)：33-36.

[11]Boye M,Berg M G.Iron availability and the release of iron complexing ligands byEmilianiahuxleyi[J].Marine Chemistry,2000,70：277-287.

[12]周成旭,嚴小軍,陳安敏.亞鐵離子對赤潮異彎藻種群消長和部分生化特性的影響[J].海洋科學(xué),2008,32(1)：10-18.

[13]Powell R T,Wilson Finelli A.Importance of organic Fe complexing ligands in the Mississippi River plume [J].Estuarine,Coastal and Shelf Science,2003,58：757-763.

[14]袁征,祁建華,張曼平.海水中鐵的來源形態(tài)及其與浮游植物的相互關(guān)系[J].海洋湖沼通報,2003,4：38-48.

[15]王玉玨,楊桂朋.海水中無機物的光化學(xué)反應(yīng)[J].海洋通報,2004,23(2)：73-81.

[16]Li Shun-xing,Qian Sha-hua,Huang Gan-quan,et al.Separation and preconcentration of Se(IV)/Se(VI)speciation on algae and determination by graphite furnace atomic absorption spectrometry in sediment and water[J].Fresenius’ Journal of Analytical Chemistry,1999,365(5)：469-471.

[17]Li Shun-xing,Zheng Feng-ying,Hong Hua-sheng,et al.Photo-oxidation of Sb(III) in the seawater by marine phytoplankton-transition metals-light system[J].Chemosphere,2006,65(8)：1432-1439.

[18]Li Shun-xing,Hong Hua-sheng,Zheng Feng-ying,et al.Effects of metal pollution and macronutrient enrichment on the photoproduction of hydroxyl radicals in seawater by the algaDunaliella salina[J].Marine Chemistry,2008,108：207-214.

[19]邢偉,李敦海,沈銀武,等.滇池試驗圍隔內(nèi)不同形態(tài)鐵濃度的變化與物化因子的關(guān)系[J].水生生物學(xué)報,2006,30(2)：20-25.

[20]GB/T 17378- 2007,海洋監(jiān)測規(guī)范[S].

[21]劉淑娟,羅明標,張慧.鄰菲啰碄光度法測定環(huán)境樣品中的形態(tài)鐵[J].南昌大學(xué)學(xué)報,2005,29(5)：457-466.

[22]曹佳蓮,劉憲斌,劉占廣,等.天津港南部海區(qū)水體富營養(yǎng)化水平評價[J].海洋湖沼通報,2008,(S)：121-130.

[23]Maldonado M T,Price N M.Nitrate regulation of Fe reduction and transport by Fe-limitedThalassiosira oceanica[J].Limnology and Oceanography,2000,45(4)：814-826.

[24]Shaked Y,Kustka A B,Morel F M.A general kinetic model for iron acquisition by eukaryotic phytoplankton[J].Limnology and Oceanography,2005,50(3)：872-882.

[25]Salmon T P,Rose A L,Neilan B A ,et al.The model of iron acquisition：nondissociative reduction of ferric complexes in the marine environment[J].Limnology and Oceanography,2006,51(4)：1744-1754.

[26]Li Shun-xing,Zheng Feng-ying,Hong Hua-sheng,et al.Effects of nitrate and phosphate on the biochemical composition of marine phytoplankton[J].Chinese Journal Marine Science,2006,30(1)：49-53.

[27]Rose A L,Waite T D.Kinetic model for Fe (II) oxidation in seawater in the absence and presence of natural organic matter[J].Environmental Science and Technology,2002,36：433-444.