龐佳麗，許燕紅，何毓新**，史 權(quán)，何 丁，孫永革

(1：浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，杭州 310027) (2：中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

工業(yè)革命以來(lái)，由于人類(lèi)活動(dòng)的加劇，導(dǎo)致溫室氣體濃度迅速上升，引發(fā)了一系列的氣候和環(huán)境問(wèn)題，全球碳循環(huán)受到了世界各國(guó)政府和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[1]. 內(nèi)陸水體雖然只占據(jù)不到1%的全球面積，但其在全球有機(jī)碳的運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存過(guò)程中具有重要的作用[2]. 內(nèi)陸水體每年從陸地接收2.9×1015g碳，其中約有0.6×1015g碳被埋藏在內(nèi)陸水體系統(tǒng)，1.4×1015g碳是以氣體形式釋放到大氣，而0.9×1015g碳通過(guò)徑流被輸送到海洋[3]. 湖泊作為重要的內(nèi)陸水體要素，在全球碳循環(huán)中也扮演著重要的角色. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，湖泊每年的碳埋藏量約相當(dāng)于海洋碳埋藏量的25%～58%[4]，湖泊每年的CO2排放量約相當(dāng)于陸地河流向海洋輸入碳的50%[5]. 近年來(lái)，工農(nóng)業(yè)活動(dòng)和城市化導(dǎo)致了區(qū)域的點(diǎn)源和面源污染，加劇了湖泊富營(yíng)養(yǎng)化，這不僅對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重破壞[6-7]，也改變了湖泊的碳循環(huán)模式[8]. 湖泊藻華暴發(fā)-消退的周期過(guò)程影響著湖泊有機(jī)碳循環(huán)和碳源-碳匯結(jié)構(gòu)[9]. 首先，湖泊藻華暴發(fā)浮游藻類(lèi)生產(chǎn)力顯著增加，直接導(dǎo)致沉積物中碳埋藏有機(jī)碳增加[8]. 藻華消退之后，部分有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步選擇性的轉(zhuǎn)化和降解并以二氧化碳和甲烷的形式釋放回大氣，而另一部分以相對(duì)惰性有機(jī)質(zhì)的形式保存在水體和沉積物之中. 因此，研究富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的碳循環(huán)動(dòng)態(tài)變化，明晰其有機(jī)碳收支和碳源-碳匯結(jié)構(gòu)，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[10].

溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter, DOM)通常是指可以通過(guò)0.45 μm濾膜的有機(jī)質(zhì)，是水體有機(jī)碳循環(huán)動(dòng)態(tài)過(guò)程的最直接參與者[11-15]. DOM來(lái)源于生物分泌物和殘?bào)w碎屑[16]，是由糖類(lèi)、蛋白質(zhì)類(lèi)、脂類(lèi)、木質(zhì)素、腐殖酸等化合物組成的復(fù)雜混合體[17]，其濃度和分子組成受復(fù)雜的生物反應(yīng)和非生物反應(yīng)的影響[18-20]. 因此，不同分子組成的DOM有著不同的生物可利用性和礦化穩(wěn)定性，也具有不同的生物地球化學(xué)過(guò)程和歸宿[21-23]. 精細(xì)描述湖泊富營(yíng)養(yǎng)化背景下藻華暴發(fā)-消退周期過(guò)程的DOM分子特征演化，可以更好地理解富營(yíng)養(yǎng)化背景下湖泊碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化.

DOM分子組成的表征，重點(diǎn)在于利用譜學(xué)技術(shù)對(duì)DOM的化學(xué)鍵、官能團(tuán)及分子空間構(gòu)型進(jìn)行刻畫(huà). 傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry, FT-ICR MS)可從復(fù)雜DOM混合物中解析出數(shù)千種精確分子式，從而可以對(duì)DOM分子組成進(jìn)行定性(化學(xué)活性)和半定量(相對(duì)濃度)判定[24-25]. 范氏圖(氧碳原子數(shù)量比值O/C為x軸，氫碳原子數(shù)量比值H/C為y軸)和Kendrick質(zhì)量偏差圖(Kendrick質(zhì)量為x軸，Kendrick質(zhì)量偏差為y軸)等是使用FT-ICR MS數(shù)據(jù)來(lái)定性評(píng)價(jià)不同類(lèi)別DOM分子組成差異的常用工具[26]. 不僅如此，研究者們已經(jīng)建立了一系列劃分不同DOM分子類(lèi)別的標(biāo)準(zhǔn)[27-29]. 該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋、河流、湖泊等環(huán)境介質(zhì)DOM分子轉(zhuǎn)化的表征及影響因素的解析[14,17,27,30-33].

太湖是我國(guó)第三大淡水湖泊(水域面積2338 km2，平均水深1.9 m)，兼具有調(diào)蓄、灌溉、航運(yùn)、旅游和養(yǎng)殖等功能[34]. 隨著城市化水平的發(fā)展，太湖成為了我國(guó)東部富營(yíng)養(yǎng)化最嚴(yán)重的湖泊之一[35]. 太湖藍(lán)藻水華最早可以追溯到20世紀(jì)50年代，太湖五里湖區(qū)夏季出現(xiàn)了大量藍(lán)藻、隱藻、硅藻和綠藻并存的現(xiàn)象[36]. 此后，藻華逐漸向梅梁灣和竺山灣等區(qū)域擴(kuò)展，持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，藍(lán)藻開(kāi)始占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[37]. 2007年太湖藻華尤為嚴(yán)重，引發(fā)了無(wú)錫市飲用水危機(jī)，各級(jí)政府加大了對(duì)太湖的治理力度，包括控源截污、內(nèi)源清淤、引水沖調(diào)、水生態(tài)修復(fù)等[38]. 然而，2017年太湖又一次出現(xiàn)大面積的藻華，遠(yuǎn)超過(guò)2009-2016年的平均水平，表現(xiàn)為藻華首次暴發(fā)時(shí)間總體提前約30天[39]，全年藻華次數(shù)和平均面積升高[40]. 其主要原因可能是，在營(yíng)養(yǎng)鹽充足的背景下，溫度升高、風(fēng)速較低、日照時(shí)間增長(zhǎng)均會(huì)導(dǎo)致每年藻華首次暴發(fā)時(shí)間提前和暴發(fā)持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)[41]. 但是，與太湖藍(lán)藻暴發(fā)與消退相關(guān)的碳循環(huán)研究依然處于起步階段. 目前僅有少數(shù)針對(duì)太湖DOM分子組成的動(dòng)態(tài)變化研究，例如，在對(duì)比藻華暴發(fā)期與消退期DOM分子組成和結(jié)構(gòu)方面，Zhang等[9]通過(guò)FT-ICR MS和核磁共振光譜技術(shù)，分析檢測(cè)了2007年6月和2007年11月梅梁灣一個(gè)點(diǎn)位的DOM分子組成，發(fā)現(xiàn)從2007年6月到2007年11月，DOM中的小質(zhì)量數(shù)分子和CHON類(lèi)分子比例增加，分子多樣性提高. 在分析藻源DOM的生物可利用性方面，Bai等[42]通過(guò)四級(jí)推流式生物膜反應(yīng)裝置，驗(yàn)證了DOM生物可利用性與微生物群落特征間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)藻源DOM中活性/半活性分子可占總有機(jī)分子的79%，DOM的分子活性與分解細(xì)菌群落多樣性呈反比. 在分析浮游藻類(lèi)對(duì)水體DOM貢獻(xiàn)方面，Liu等[43]通過(guò)FT-ICR MS和熒光技術(shù)，對(duì)太湖不同湖區(qū)的水體DOM和藻源DOM進(jìn)行了對(duì)比分析，證實(shí)了藻類(lèi)和水體DOM的關(guān)聯(lián)性.

本研究進(jìn)一步以太湖藻華暴發(fā)嚴(yán)重的梅梁灣為研究區(qū)域，采集2017-2018年藻華暴發(fā)-消退周期的表層水體，通過(guò)FT-ICR MS技術(shù)，解析藻華暴發(fā)-消退周期DOM的分子變化特征，進(jìn)而理解浮游藻類(lèi)對(duì)水體DOM的影響及其在區(qū)域碳循環(huán)中的角色.

1 材料與方法

本研究于2017年5月、6月、8月、11月以及2018年1月、3月、5月在太湖梅梁灣(31°25′27.21″N；120°11′17.58″E)進(jìn)行采樣(圖1a)，共采集7個(gè)表層水樣，圖1b藻華面積來(lái)自江蘇環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)太湖藍(lán)藻遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2017年11月至2018年3月無(wú)記錄，數(shù)據(jù)來(lái)源于http://www.jsem.net.cn/mrygyt/thlz/)；月平均溫度來(lái)自無(wú)錫市氣象局統(tǒng)計(jì)信息. 由于溫度是影響藻華暴發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵因素[41]，藻華多暴發(fā)在平均20℃左右的月份. 根據(jù)太湖藍(lán)藻遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[39]，4-10月是藻華暴發(fā)期，11月-次年3月是藻華消退期(圖1b). 因此，本研究中，2017年5月、6月、8月和2018年5月采集的水樣屬于藻華暴發(fā)期，而2017年11月、2018年1月和3月采集的水樣屬于消退期.

圖1 太湖梅梁灣采樣點(diǎn)(a)及2017年4月-2018年5月太湖藻華面積及月平均溫度(b) Fig.1 Sampling site in Meiliang Bay of Lake Taihu (a); algal bloom area of Lake Taihu and monthly average temperature from April 2017 to May 2018 (b)

利用采水器在水下0.5 m內(nèi)采集水樣，隨后避光低溫保存，當(dāng)天迅速帶回實(shí)驗(yàn)室分析. 然后依次利用0.7 μm預(yù)灼燒的玻璃纖維濾紙(Whatman)和0.2 μm的聚碳酸酯濾膜(Millipore)進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾后水樣使用優(yōu)級(jí)純鹽酸將pH值調(diào)節(jié)為2，在4℃避光條件下保存并盡快進(jìn)行后續(xù)分析.

預(yù)酸化的過(guò)濾水樣可以直接使用高溫催化氧化溶解態(tài)有機(jī)分析儀(TOC-L analyzer, Shimadzu)測(cè)定溶解性有機(jī)碳(DOC)和溶解性總氮(TDN)濃度. DOC和TDN的測(cè)試誤差小于2%. 碳同位素和FT-ICR MS分析需要較高濃度的DOM，因此，我們利用固相萃取(SPE)進(jìn)行富集濃縮[44]. 具體而言，取～800 mL預(yù)酸化的過(guò)濾水樣，調(diào)節(jié)流速5 mL/min通過(guò)500 mg的Agilent Bond Elut PPL固相萃取柱，再用pH值為2的水溶液沖洗固相萃取柱，保證去除無(wú)機(jī)鹽之后，用高純氮?dú)鈱⒐滔噍腿≈蹈? 之后用約4 mL甲醇溶液洗脫已經(jīng)吹干的固相萃取柱，獲得濃縮的SPE-DOM.

之后根據(jù)樣品的DOC濃度和萃取過(guò)程的回收率(以50%計(jì))[9]進(jìn)行換算，取有機(jī)碳含量約為30～50 ng的SPE-DOM樣品置于錫杯，低溫蒸發(fā)去除甲醇之后，通過(guò)Thermo-Fisher MAT 253氣相色譜-同位素質(zhì)譜儀(GC-IRMS)測(cè)得SPE-DOM的碳同位素值(δ13CDOM), 每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)試2～3次，保證標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.2‰，文章使用數(shù)據(jù)為所測(cè)樣品的平均值[32]. 同時(shí)，將SPE-DOM樣品調(diào)至濃度為50 mg/L后，利用中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的9.4T型Apex-Ultra X FT-ICR MS在負(fù)離子電噴霧(electron spray ionization, ESI)模式下進(jìn)行測(cè)試分析，質(zhì)量采集范圍為200～800 Da，質(zhì)譜圖疊加次數(shù)為128次，所有信噪比大于4且檢測(cè)誤差小于1 ppm的質(zhì)譜峰被挑選并解析為分子式. 針對(duì)解析出的分子信息，目前已有多位研究者建立了一系列標(biāo)準(zhǔn)來(lái)區(qū)分不同分子屬性的DOM分子類(lèi)別[27-29]. 例如，Koch和Dittmar[28]提出芳香度指數(shù)(aromaticity index,AI)以對(duì) FT-ICR MS檢測(cè)出的化合物進(jìn)行分類(lèi)(公式(1))：AI值大于0.5的化合物為芳香族化合物，大于0.67的化合物為聚合芳香族化合物. Koch和Dittmar[31]同時(shí)考慮到50%的氧原子通常存在于羰基官能團(tuán)的假設(shè)，提出了修正的芳香度指數(shù)(AImod)(公式(2)). 結(jié)合H/C比值以及AI，可以對(duì)FT-ICR MS檢測(cè)到的分子進(jìn)行更細(xì)致的分類(lèi)[33]：當(dāng)分子1.5≤H/C≤2.0時(shí)，定義為脂肪族類(lèi)化合物；當(dāng)H/C<1.5且AI≤0.50時(shí)，定義為高不飽和類(lèi)化合物；當(dāng)0.50.66時(shí)，定義為多環(huán)芳香族化合物. 根據(jù)等效雙鍵數(shù)(double-bond equivalent,DBE)(公式(3))與C、H、O元素的比值(DBE/C比值在0.30～0.68之間，DBE/H比值在0.20～0.95之間，DBE/O比值在0.77～1.75之間)，可以確定富羧酸脂環(huán)類(lèi)化合物(carboxyl-rich alicyclic molecules, CRAM)——一類(lèi)廣泛分布于DOM中的惰性分子[13].

(1)

(2)

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 DOC、TDN和δ13CDOM

2017年5月至2018年5月采集的表層水體的DOC濃度波動(dòng)范圍為2.95～4.45 mg/L，平均值為3.60 mg/L，最高值出現(xiàn)在2017年8月，最低值出現(xiàn)在2018年1月(圖2b). 樣品的δ13CDOM波動(dòng)范圍為-28.2‰～-24.4‰，平均值為-27.1‰，最高值出現(xiàn)在2017年8月(偏正)，最低值出現(xiàn)在2017年11月(圖2c). 樣品的TDN濃度波動(dòng)范圍為0.42～3.88 mg/L，平均值為1.80 mg/L，最高值出現(xiàn)在2018年3月，最低值出現(xiàn)在2017年5月(圖2i). 因此，藻華暴發(fā)期表現(xiàn)為高的DOC濃度和低的TDN濃度，藻華消退期表現(xiàn)為低的DOC濃度和高的TDN濃度. 這說(shuō)明DOC主要受藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)輸入增加的影響，而TDN可能受外源冬季污水輸入以及內(nèi)源微生物礦化、分解與反硝化作用減少的影響[45].

2.2 DOM分子組成

通過(guò)FT-ICR MS分析，每個(gè)DOM樣品可以解析出個(gè)數(shù)4000～8000不等、質(zhì)荷比(m/z)分布在200～800的有機(jī)化合物分子式(圖3). DOM分子通過(guò)強(qiáng)度加權(quán)平均計(jì)算得到的H/C比值波動(dòng)范圍為1.28～1.34，O/C 比值波動(dòng)范圍為0.45～0.47，AImod波動(dòng)范圍為0.21～0.24. 從時(shí)間序列上看，H/C比值在暴發(fā)期相對(duì)增加，AImod在消退期相對(duì)增加，O/C比值變化趨勢(shì)不明顯(表1).

根據(jù)元素組成DOM可分為四類(lèi)化合物：只含有碳、氫、氧的CHO類(lèi)化合物；只含有碳、氫、氧、硫的CHOS類(lèi)化合物；只含有碳、氫、氧、氮的CHON類(lèi)化合物；含有碳、氫、氧、氮、硫的CHONS類(lèi)化合物. 總體而言，CHO類(lèi)化合物在DOM中占比最多，占所有類(lèi)別分子強(qiáng)度的37.9%～53.0%，其次為CHOS類(lèi)化合物(23.8%～39.2%)、CHON類(lèi)化合物(15.9%～20.5%)、CHONS類(lèi)化合物(1.7%～4.6%). 從時(shí)間序列上看，CHO類(lèi)化合物占比在藻華暴發(fā)期相對(duì)增加，而CHOS、CHONS類(lèi)化合物占比在藻華消退期相對(duì)增加，CHON類(lèi)化合物變化不明顯(圖2d，2e，2j，2k).

除根據(jù)元素組成進(jìn)行DOM元素組成分類(lèi)外，我們還按照化合物的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類(lèi)統(tǒng)計(jì)[33]. 其中，高不飽和類(lèi)化合物在DOM中占比最多(73.0%～81.1%)；CRAM化合物為主要結(jié)構(gòu)組分(55.0%～61.4%). 其次為脂肪族類(lèi)化合物(17.2%～25.8%)；類(lèi)多酚類(lèi)化合物(0.7%～1.1%)；多環(huán)芳香族類(lèi)化合物(0.2%～0.6%). 從時(shí)間序列上看，脂肪族類(lèi)化合物在暴發(fā)期相對(duì)增加，而高不飽和類(lèi)化合物和CRAM化合物在消退期相對(duì)增加，類(lèi)多酚類(lèi)化合物和多環(huán)芳香族類(lèi)化合物占比相對(duì)穩(wěn)定(圖2g，2l，2m，2n,2o).

表1 太湖梅梁灣2017年5月-2018年5月基于FT-ICR MS分析的DOM分子參數(shù)特征

圖3 典型太湖梅梁灣DOM的FT-ICR MS質(zhì)譜圖(2017年6月為例)Fig.3 FT-ICR MS mass spectra of DOM from Meiliang Bay of Lake Taihu (sample collected on June, 2017 as an example)

3 討論

3.1 太湖藻華暴發(fā)期 DOM分子特征

藻華暴發(fā)期(2017年5月、6月、8月和2018年5月)太湖梅梁灣表層水體的DOC濃度高，δ13CDOM值(-27.3‰～-24.4‰)指示DOM為湖泊自生和陸源輸入的混合來(lái)源[46-47]，CHO類(lèi)化合物占比高，H/C比值高，脂肪族類(lèi)化合物占比高. 脂肪族類(lèi)化合物由類(lèi)脂質(zhì)、類(lèi)多肽、氨基糖等分子組成，是易為微生物利用的活性分子，具有高度的生物可利用性并且能夠被微生物快速利用[48-50]. 因此，藻華暴發(fā)期間表層水體DOM主要表現(xiàn)為較高的DOC濃度、較多的自生物質(zhì)來(lái)源和較強(qiáng)的生物活性. 盡管太湖的夏季降水量較大(圖2h)，在增加陸源DOM輸入的同時(shí)，也縮短了水體滯留時(shí)間，會(huì)減緩藻華暴發(fā)導(dǎo)致的脂肪族類(lèi)化合物相對(duì)含量的增加[33, 51]. 但是，我們的結(jié)果表明，在富營(yíng)養(yǎng)化藻華的背景下，降雨對(duì)脂肪族類(lèi)化合物相對(duì)含量的影響屬于次要因素. 同時(shí)，藻華暴發(fā)期脂肪族類(lèi)化合物的大量輸入，其效應(yīng)較為復(fù)雜，表現(xiàn)為總細(xì)菌豐度升高[52]，但細(xì)菌群落多樣性下降[42, 53]. 盡管活性DOM經(jīng)過(guò)微生物代謝之后轉(zhuǎn)變?yōu)槎栊越Y(jié)構(gòu)[12]，但在藻華暴發(fā)期脂肪族類(lèi)化合物大量輸入的背景下，該作用屬于次要因素. 因此，藻華暴發(fā)期水體DOM在含量上表現(xiàn)為DOC濃度升高，在分子組成上表現(xiàn)為CHO類(lèi)化合物、以脂肪族類(lèi)化合物為代表的活性組分占比增加.

從藻華暴發(fā)初期(2017年5月)到藻華暴發(fā)強(qiáng)烈期(2017年8月，基于DOC濃度判斷，圖2b)，隨著藻華的持續(xù)發(fā)生和加劇，浮游藻類(lèi)大量增殖，活體藍(lán)藻細(xì)胞通過(guò)生物活動(dòng)分泌釋放的胞內(nèi)代謝產(chǎn)物包含脂肪族類(lèi)化合物[42]，超過(guò)微生物的降解量，導(dǎo)致DOM庫(kù)中的活性組分含量上升. 這直觀(guān)的表現(xiàn)為2017年8月水體DOC濃度最高、δ13CDOM值偏正約3‰(-24.4‰ vs -27.3‰)、H/C比值最高、脂肪族類(lèi)化合物占比最高. 但是，藻華暴發(fā)強(qiáng)烈期水體的CHO類(lèi)化合物在DOM中占比，相較于藻華暴發(fā)初期并沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明僅僅依靠元素組成的分類(lèi)方式，并不能很好的表征持續(xù)性藻華導(dǎo)致活性組分增加的過(guò)程. 總體來(lái)看，藻類(lèi)釋放的DOM與太湖水體經(jīng)過(guò)了初步降解的DOM庫(kù)在分子組成的大類(lèi)上有一定的相似性，但是化學(xué)性質(zhì)更為活性.

3.2 太湖藻華消退期DOM分子特征

藻華消退期表層水體(2017年11月-2018年3月)相較于藻華暴發(fā)期DOC濃度降低，DOM在分子組成也上發(fā)生了變化，主要表現(xiàn)為H/C比值降低、芳香度增加(表1)；CHO類(lèi)化合物占比降低、CHOS、CHONS類(lèi)化合物占比增加；脂肪族類(lèi)化合物占比降低、高不飽和類(lèi)化合物和CRAM化合物占比增加(圖2). 其中CHOS、CHONS類(lèi)化合物一部分來(lái)源于CHO化合物通過(guò)與硫化物反應(yīng)形成類(lèi)木質(zhì)素的CHOS化合物，另一部分源于人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的表面活性劑化合物，如磺基苯基羧酸類(lèi)化合物[54]. 高不飽和類(lèi)化合物主要為酚類(lèi)結(jié)構(gòu)化合物，可能來(lái)源于木質(zhì)素降解的中間產(chǎn)物[55]； CRAM化合物被認(rèn)為是經(jīng)微生物代謝和光降解等一系列轉(zhuǎn)化之后形成的一類(lèi)惰性結(jié)構(gòu)化合物[13, 56]. 類(lèi)多酚類(lèi)化合物主要為多酚類(lèi)化合物和帶有脂肪鏈的多環(huán)芳香族化合物[28]，主要來(lái)源于維管植物[33]；多環(huán)芳香族化合物主要來(lái)源于燃燒物質(zhì)[57]. 上述變化均表明，藻華消退期主要表現(xiàn)為活性組分的減少和惰性組分的增加.

在藻華消退期間，藻類(lèi)進(jìn)入休眠狀態(tài)后沉入湖底，其對(duì)表層水體DOM的直接影響大幅下降. 因此，有機(jī)質(zhì)降解可能是藻華消退期表層水體DOM分子組成變化的最重要過(guò)程. 伴隨多肽類(lèi)、糖類(lèi)等活性組分優(yōu)先降解，惰性組分相對(duì)耐降解而得以留存于DOM庫(kù)內(nèi)，成為DOM的主要貢獻(xiàn)者. 異養(yǎng)微生物作用也促進(jìn)了藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為CRAM等惰性分子[9]. 同時(shí)，冬季風(fēng)浪擾動(dòng)等水動(dòng)力條件的增強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致部分湖底的藻類(lèi)殘?bào)w和沉積物上泛，可能也帶來(lái)了一部分惰性的有機(jī)質(zhì). 除此之外，盡管消退期的降水較弱，但冬季本身是流域的排污期[45]，可能帶來(lái)了大量的難降解的陸源有機(jī)質(zhì)(如木質(zhì)素等分子). 然而，δ13CDOM除了2017年8月由于藻華極強(qiáng)導(dǎo)致迅速偏正以外，其他時(shí)間點(diǎn)的值比較相近，基本排除了陸源輸入的顯著影響. 所以，藻華消退期表層水體惰性組分增加的主要原因可能為內(nèi)源負(fù)荷的減弱，而陸源負(fù)荷的增加為次要原因.

3.3 太湖藻華暴發(fā)期與消退期的DOM特征分子差異

綜上所述，太湖水體的溶解性有機(jī)質(zhì)分子組成在藻華暴發(fā)期受藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)輸入控制，在消退期受藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)降解的影響. 為了進(jìn)一步明晰并統(tǒng)計(jì)藻華暴發(fā)期與消退期的特征化合物，我們將樣品識(shí)別的所有分子根據(jù)質(zhì)譜峰強(qiáng)進(jìn)行均一化處理，統(tǒng)計(jì)各個(gè)分子在暴發(fā)期與消退期的平均相對(duì)強(qiáng)度，并進(jìn)行差值計(jì)算. 當(dāng)分子的相對(duì)強(qiáng)度差值為正數(shù)時(shí)，指示其為暴發(fā)期的相對(duì)特征化合物(圖4a，藍(lán)色)，當(dāng)分子的相對(duì)強(qiáng)度差值為負(fù)數(shù)時(shí)，指示其為消退期的相對(duì)特征化合物(圖4a，橙色). 結(jié)合前面提到的藻華暴發(fā)-消退周期DOM分子的活性和惰性特征，可以發(fā)現(xiàn)暴發(fā)期DOM以活性小分子(m/z=200～325)為特征，消退期DOM以惰性大分子(m/z=325～800)為特征. 除此之外，太湖藻華消退期DOM還包含部分小分子量的化合物(m/z=200～325). 這些消退期DOM小分子量的化合物有兩種可能來(lái)源：1)未得以降解的小分子活性化合物；2)微生物降解生成的小分子化合物[14,58-60]. 為明晰這一問(wèn)題，我們將暴發(fā)期與消退期分子量小于325的化合物進(jìn)行對(duì)比(圖4c, 4d, 4e, 4f)，可以發(fā)現(xiàn)暴發(fā)期的小分子特征化合物飽和度高(H/C比值高)、含氧量高(O/C比值高)，在范式圖中(圖4b)分布于類(lèi)氨基糖、類(lèi)糖類(lèi)分子區(qū)域[27]，指示了新鮮分子的貢獻(xiàn). 相對(duì)于暴發(fā)期，消退期的特征分子向更高不飽和(H/C比值小于1)、更低含氧量(O/C比值小于0.5)轉(zhuǎn)移，在范式圖中分布于聚合芳香族化合物分子區(qū)域[27]. 導(dǎo)致這一變化的原因可能是由于微生物代謝消耗了高含氧的分子并產(chǎn)生了低含氧的分子[42]. 其實(shí)，在m/z> 325的質(zhì)量數(shù)范圍，亦可以看到太湖梅梁灣藻華暴發(fā)期到消退期的分子組成層面上的類(lèi)似變化，但由于隨著分子量的增大，所有化合物的O/C比值趨于0.4，而H/C比值趨于1.4(圖4c, 4d, 4e, 4f)，即使分子特征有區(qū)別也很難從范氏圖中辨別出來(lái)(圖4b). 因此，m/z= 200～325的分子可能更適合表征太湖梅梁灣藻華暴發(fā)期到消退期DOM的分子組成變化.

本研究與Zhang等[9]的研究結(jié)果有所差別. 具體而言，Zhang等[9]發(fā)現(xiàn)2007年6月到2007年11月太湖梅梁灣水體DOM中，小質(zhì)量數(shù)分子和CHON類(lèi)分子比例增加，分子多樣性提高. 我們認(rèn)為，兩個(gè)研究結(jié)果的差異可能來(lái)自樣品的特殊性. 首先，Zhang等[9]分析的2個(gè)樣品采自2007年，而本研究的樣品采自2017-2018年，10年的跨度可能導(dǎo)致水體DOM性質(zhì)具有較大差異. 其次，太湖流域6月份為梅雨季節(jié)，降雨量較大，太湖水位相對(duì)較高，對(duì)藍(lán)藻密度具有一定的稀釋作用，一定程度上減小了藍(lán)藻大規(guī)模聚集的程度[61]，因此6月份不是藻華最強(qiáng)的時(shí)候. 而11月份，藍(lán)藻剛開(kāi)始死亡和下沉，不是藻華最弱的時(shí)候，藻華暴發(fā)期的信號(hào)可能還殘留于11月份的水體中. 所以Zhang等[9]對(duì)比6月和11月的樣品，未必能夠表征藻華暴發(fā)到消退的過(guò)程. 不僅如此，盡管Zhang等[9]采樣點(diǎn)位也在梅梁灣，但更靠近岸邊，在6月強(qiáng)降水的季節(jié)，可能受到強(qiáng)烈的陸源輸入的影響，對(duì)其是否可以確認(rèn)為藻華暴發(fā)期的端元信號(hào)存在疑問(wèn). 事實(shí)上，本研究獲得的FT-ICR MS譜圖和Liu等[43]報(bào)道的太湖梅梁灣水體DOM的FT-ICR-MS譜圖相近，而與Zhang等[9]報(bào)道的FT-ICR MS譜圖差異較大.但不論如何，本研究結(jié)果清楚地說(shuō)明了浮游藻類(lèi)在太湖水體DOM的分子組成變化中扮演著重要的角色. 后續(xù)仍需要開(kāi)展更多太湖DOM分子組成時(shí)空變化的相關(guān)工作來(lái)驗(yàn)證本研究的結(jié)論.

圖4 太湖梅梁灣藻華暴發(fā)期(藍(lán)色)與消退期(橙色)表層水體DOM的特征分子信息 (虛線(xiàn)所示為m/z=325；a: 藻華暴發(fā)期與消退期分子強(qiáng)度差；b: 暴發(fā)期與消退期特征分子范式圖； c: 暴發(fā)期特征分子m/z vs O/C；d: 消退期特征分子m/z vs O/C；e: 暴發(fā)期特征分子m/z vs H/C； f: 消退期特征分子m/z vs H/C； 圖中圓形標(biāo)記大小與分子強(qiáng)度相關(guān))Fig.4 Molecular characteristics of surface DOM in Meiliang Bay of Lake Taihu between the algal-blooming period (blue) and algal-disappearance period (orange) (The dotted line represents m/z=325； a: the difference of intensity between the algal-blooming period and algal-disappearance period; b: the Van Krevelen diagram of the algal-blooming period and the algal-disappearance period; c: m/z vs O/C of the algal-blooming period; d: m/z vs O/C of the algal-disappearance period; e: m/z vs H/C of the algal-blooming period; f: m/z vs H/C of the algal-disappearance period； circular marker size is related to the intensity)

4 結(jié)論

1)在藻華暴發(fā)期，顯著增加的浮游藻類(lèi)生產(chǎn)力，使太湖表層水體的DOM從量到分子組成均發(fā)生劇烈改變. 在含量上DOC濃度升高，在分子組成上CHO類(lèi)化合物、以脂肪族化合物為代表的活性組分占比增加. 在藻華消退期，隨著藻類(lèi)的消亡，藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)對(duì)DOM直接貢獻(xiàn)減少，持續(xù)進(jìn)行的有機(jī)質(zhì)降解過(guò)程，使得DOC濃度下降，CHOS、CHONS類(lèi)化合物和CRAM化合物等惰性分子占比增加.

2)藻華暴發(fā)期與消退期的分子差異體現(xiàn)在：暴發(fā)期以相對(duì)高飽和度和高含氧的小質(zhì)量數(shù)分子為特征，而消退期以大質(zhì)量數(shù)分子和相對(duì)低飽和度和低含氧的小質(zhì)量數(shù)分子為特征.

3)FT-ICR MS可以有效表征藻華暴發(fā)-消退周期內(nèi)DOM的分子組成變化，今后仍需結(jié)合其他分析技術(shù)綜合分析顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)和DOM的變化，為進(jìn)一步分析富營(yíng)養(yǎng)化背景下有機(jī)碳的來(lái)源構(gòu)成、轉(zhuǎn)化及歸宿提供科學(xué)依據(jù).

致謝: 感謝中國(guó)科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站為本研究提供實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備支持.