馮 琳， 徐建中， 翟立翔，3

（1.阿壩師范學院，四川汶川623002；2.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000；3.中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

青藏高原地區(qū)是中低緯度山地冰川發(fā)育最廣泛的地區(qū)，近年來，隨著全球氣候持續(xù)變暖，青藏高原地區(qū)的冰川正經(jīng)歷著快速的消融退縮［1］。冰塵是冰川消融區(qū)表面暗色物質(zhì)的重要組成部分，是由有機物質(zhì)、無機礦物顆粒和微生物群落相互結(jié)合形成的黑色或棕色的球狀聚合體［2］。冰塵廣泛存在于冰川消融區(qū)表面，其存在形式主要有兩種，一種是冰塵穴，是冰川表面充滿冰川融水和生物活性沉積物的圓柱體洞穴；另一種是冰塵顆粒，在喜馬拉雅冰川和中國西部的山地冰川表面，冰塵主要以冰塵顆粒的形式存在［3］。冰塵顆粒的生長具有明顯的季節(jié)性，并且具有生長、裂解交替循環(huán)的生命周期［4-5］。在冰川消融期（5—10月），冰川表面融水豐富，溫度日照適宜，在微生物的作用下，消融區(qū)表面會形成表面被絲狀藍藻包裹，內(nèi)部均勻分布無機顆粒和有機物質(zhì)的冰塵顆粒［4，6］；到冬季（11月—次年4月）由于冰川表面沒有融水支持，部分冰塵顆粒會進入休眠階段而停止生長，另一部分冰塵顆粒則會發(fā)生裂解，裂解形成的碎片在生長期重新發(fā)育成新的冰塵［4］。

冰川表面的微生物群落通過與環(huán)境的相互作用，對冰川反照率和冰川融化速率存在顯著影響［7-8］。冰塵是冰川表面微生物重要的棲息地［9-11］，冰塵中的微生物群落主要包括藻類、古細菌、細菌、真菌、原生生物和病毒［11］，細菌群落以藍藻、綠塑菌、變形菌門、擬桿菌門和放線菌門為主［12］。冰塵中的微生物在利用溶解性有機質(zhì)（DOM）的同時會不斷產(chǎn)生新的DOM［13］。冰川表面DOM通過冰川融水被重新分配到其他環(huán)境，為營養(yǎng)匱乏的冰川環(huán)境提供營養(yǎng)和能量來源［14］。因此，冰塵在冰川物質(zhì)能量平衡、冰川生物地球化學循環(huán)特別是碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。有研究表明，在極地冰川表面DOM循環(huán)過程中，光化學過程和生物過程之間存在著相互作用的關(guān)系［15］。一方面，光降解可導致DOM完全氧化為CO2或部分氧化形成新的DOM，導致DOM化學組成發(fā)生改變［16-18］；另一方面，冰川表面強烈的紫外輻射會傷害微生物細胞，改變微生物的活動和群落組成［19］，從而顯著改變DOM的化學組成［20］。因此，分析山地冰川表面冰塵中DOM的“光-生物”演化過程對研究消融期山地冰川表面DOM的演化過程至關(guān)重要。

DOM作為一類具有復雜組成、結(jié)構(gòu)和環(huán)境行為的有機混合物，通常被定義為能夠通過孔徑為0.45μm濾膜且可溶于水的碳基有機化合物，是由蛋白質(zhì)、油脂、類脂、碳水化合物、氨基酸以及有機酸等經(jīng)過氫鍵、疏水等作用形成的連續(xù)統(tǒng)一體［21］。冰川中的DOM化學組成豐富（包含有C、N、S和P等營養(yǎng)元素）是冰川表面生態(tài)系統(tǒng)中能量循環(huán)與物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分，與冰川生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)水平、化學特征以及生態(tài)結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)［22］。傳統(tǒng)的DOM分析方法主要有離子交換樹脂法、核磁共振、紅外光譜等，這些分析方法盡管能得到DOM的部分生物化學信息，但是存在一定的局限性。隨著光譜技術(shù)和儀器分析技術(shù)的發(fā)展，紫外可見吸收光譜、三維熒光光譜由于其高靈敏性、高精度，操作簡便等特性，目前被廣泛應用在DOM的研究中［23-26］。另外，在分子層面，傅立葉離子回旋共振質(zhì)譜（FTICRMS）與電噴霧離子化（ESI）的結(jié)合為DOM的分析研究帶來了突破性的進展，并已經(jīng)廣泛應用于各類水體中DOM的組成和來源分析中［27-30］，F(xiàn)T-ICR MS的超高分辨率和分子量精確度保證了質(zhì)譜峰的有效分辨以及復雜化合物的分子組成確定［31-32］，為分析冰川DOM的組成和來源提供了保障。目前的研究發(fā)現(xiàn)，山地冰川表面冰塵和雪冰樣品中DOM的主要組成是脂類和蛋白質(zhì)類物質(zhì)，來源主要是微生物來源，冰川中的DOM具有很高的生物可利用性［33-34］。同時冰川表面的消融過程在消融初期會引起冰川表面雪冰中DOM的減少，消融后期引起含N類DOM的增多和富集，消融過程可以顯著增加雪冰中DOM的生物可利用性［35］。但是，目前仍缺乏對山地冰川表面DOM的“光-生物”演化過程的研究，因此本研究通過在老虎溝12號冰川消融區(qū)開展光照條件下冰塵的原位培養(yǎng)實驗來探討冰川表面DOM的“光-生物”演化過程，為研究冰川表面DOM的演化過程提供參考。

本研究基于冰塵原位培養(yǎng)實驗，結(jié)合紫外光譜分析法和電噴霧離子化傅立葉離子回旋共振質(zhì)譜（ESI-FT-ICR MS）分析法，研究老虎溝12號冰川表面冰塵中DOM的演化過程。本文的主要研究內(nèi)容是：（1）分析冰塵中DOM的濃度變化和光學性質(zhì)變化；（2）研究冰塵中DOM的分子組成變化；（3）分析山地冰川表面冰塵中DOM的“光-生物”演化過程。

1 野外實驗

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域選擇青藏高原北部祁連山地區(qū)老虎溝12號冰川（39°25.7′N，96°33.4′E，4 260～5 483 m a.s.l.），位于甘肅肅北蒙古族自治縣境內(nèi)。祁連山地區(qū)發(fā)育有大量的山岳冰川，是我國西北干旱區(qū)重要的“天然水庫”［36］。老虎溝12號冰川處于祁連山西段北坡的大雪山地區(qū)，由東西兩支冰川組成，兩支冰川在海拔4 550 m處匯合，是祁連山冰川中最大并且最具代表性的復式山谷冰川。最高海拔5 483 m，末端海拔4 250 m，總長9.7 km，面積20.37 km2，冰儲量達1.943 km3，相比第一次冰川編目中1957年的冰川資料，面積縮小了1.54 km2，冰儲量減少了0.1816 km3［37］。老虎溝12號冰川消融區(qū)表面冰塵含量豐富且平緩開闊，被視為開展冰川化學和冰川消融研究的理想地點，是進行冰塵原位培養(yǎng)探究山地冰川表面DOM演化過程的理想?yún)^(qū)域。

1.2 實驗設置及樣品采集

原位培養(yǎng)實驗選擇于消融期中期（7—8月）進行，消融期中期冰川表面融水豐富，溫度日照適宜，冰塵處于生長活躍期，有利于冰塵原位培養(yǎng)實驗的順利開展。本研究于2016年7月22日—8月10日在祁連山老虎溝12號冰川消融區(qū)開展為期18天的冰塵原位培養(yǎng)實驗（實驗點見圖1）。培養(yǎng)期間老虎溝12號冰川平均氣溫0.28～4.28℃，期間有2次較為明顯的降水過程，平均氣溫分別是1.69℃和0.28℃，由于原位培養(yǎng)采用封閉式培養(yǎng)，因此降水對原位培養(yǎng)實驗影響不大。

圖1 老虎溝12號冰川冰塵原位培養(yǎng)位置Fig.1 Thesite of cryoconite incubation in field on Laohugou Glacier No.12

原位培養(yǎng)實驗設置三個平行樣品，用預先清潔的不銹鋼勺在冰川消融區(qū)表面采集冰塵顆粒樣品，將其裝入250 mL的預先清潔的玻璃三角瓶中，使培養(yǎng)瓶中冰塵厚度達到約3 cm重約180 g，然后緩慢加入冰川表面徑流融水約150 mL，蓋好瓶蓋靜置培養(yǎng)。分別在培養(yǎng)0天（D0）、6天（D6）、9天（D9）和18天（D18）打開瓶蓋取上層水樣約50 mL裝入預先清潔的玻璃采樣瓶中，冷藏保存用于后續(xù)實驗室分析。同時緩慢向培養(yǎng)瓶中補給冰川表面徑流融水50 mL繼續(xù)培養(yǎng)，此操作旨在模擬消融區(qū)表面冰塵中DOM真實的“光-生物”演化過程。實驗過程嚴格按照冰雪采樣程序進行，實驗用品均預先進行了嚴格的清潔，玻璃制品和不銹鋼制品均在500℃燒6 h除去有機物。

2 實驗分析

將不同培養(yǎng)時段的冰塵水樣用孔徑為0.45μm的聚四氟乙烯濾頭（Pall Life Sciences，AnnArbor，MI，USA）過濾，過濾后的濾液直接用于測定溶解性有機碳（DOC）濃度和紫外可見光譜，DOM的結(jié)構(gòu)組成異常復雜，基本組成元素為C、H、O、N、S、P等［38-39］，由于C是DOM的最主要也是最重要的構(gòu)成元素，所以通常用DOC的濃度來表征DOM的濃度。DOC濃度和紫外可見光譜分析將同一培養(yǎng)時段的剩余樣品混合后進行固相萃取用于高分辨質(zhì)譜分析。

2.1 DOC分析測定

使用德國Elementar元素分析儀Vario EL進行樣品DOC的分析測試。將10 mL過濾好的液體樣品用100μL 10%鹽酸進行酸化（pH=2）去除無機碳酸鹽，DOC采用NPOC（Non-purgeable OC）方法，樣品進入燃燒管高溫（850℃）催化（Pt）氧化后將C完全轉(zhuǎn)化為CO2，后經(jīng)非分光紅外檢測器測定得到DOC濃度。該儀器校準所用標準為鄰苯二甲酸氫鉀。儀器最低檢測限是2μg C·L-1，精確度為±5%，C的相對標準偏差＜1%。

2.2 紫外光譜分析測定

DOM的紫外可見吸收光譜的測定采用島津UV-2410PC紫外可見分光光度計，以超純水作為空白，掃描樣品在190～900 nm處的吸光度值，比色皿采用5 cm的石英比色皿。樣品測試完成后，通過減去690 nm至700 nm之間的平均吸光值來修正每個樣品的吸光值，然后通過式（1）將吸光值轉(zhuǎn)化成吸收系數(shù)［40］：

式中：A（λ)為波長λ時DOM的吸光值；L為光吸收路徑（針對目前的比色皿直徑為5 cm），轉(zhuǎn)換系數(shù)為2.303是10的自然對數(shù)值。

DOM光譜斜率（S）是用指通過式（2）利用指數(shù)函數(shù)非線性擬合來計算在275～295 nm和350～400 nm的光譜斜率：

式中：k為背景參數(shù)。光譜斜率比值SR是S275～295與S350～400之間的比值［41］。

254 nm處的紫外吸收值SUVA254可以作為DOM不飽和程度和吸光性強弱的一個指數(shù)，SUVA254是由波長254 nm處吸光值的均值除以樣品DOM的平均濃度得到的，單位為L·mg·C-1·m-1［42］。

2.3 ESI-FT-ICR MS分析測定

2.3.1 固相萃取

樣品在進行ESIFT-ICR MS分析之前，通過固相萃取對DOM進行濃縮并除去無機鹽，同時設置和樣品處理步驟完全一樣的空白樣品（超純水），用于監(jiān)測處理過程中是否引進外源污染物。固相萃取用安捷倫的PPL小柱（500 mg，6 mL），步驟如下：用三倍柱體積的色譜純甲醇活化小柱（PPL），再用三倍柱體積的超純水沖洗柱子，最后用pH=2的酸化水沖洗柱子；將樣品酸化至pH=2左右，然后將約150 mL的液體樣品以1 mL·min-1的速度緩慢通過活化好的PPL柱子，待樣品全部通過以后，用pH=2的酸化水沖洗柱子3次，再用5 mL左右的甲醇洗脫柱子，并將洗脫液裝于預先清潔好的玻璃小瓶中；最后將裝有洗脫液的玻璃小瓶置于氮吹儀上對洗脫液中的DOM進行氮吹濃度，直至甲醇被全部吹干，將玻璃小瓶蓋好冷藏保存直至上機分析檢測。

2.3.2 ESI-FT-ICRMS分析

將固相萃取的樣品用1 mL左右的甲醇溶解，通過ESI離子源（Bruker Daltonik GmbH，Bremen，Germany），ESI電離源正負離子模式均使用，經(jīng)過電噴霧離子化的樣品進入配有9.4 T的FT-ICR MS（Bruker Daltonik GmbH，Bremen，Germany）進行分析，質(zhì)荷比的檢測范圍是150～800 Da，譜圖疊加100次以提高信噪比。信噪比大于6的所有質(zhì)譜峰被導入到Excel數(shù)據(jù)表中，利用美國高磁國家實驗室開發(fā)的PetrOrg??軟件進行分子式計算［43］。計算分子式時含有的12C、1H、16O、14N、32S、13C、18O和34S最大原子數(shù)分別設定為30、60、20、3、1、1、1和1，含有同位素（例如13C、18O和34S）的分子不納入后續(xù)分析。

為了更好的對FT-ICR MS的結(jié)果進行分析，我們采用Van Krevelen圖（VK圖）［44］，并計算了芳香性指數(shù)（modified aromaticity index，AImod）［45-46］。VK圖是由分子內(nèi)O、C原子個數(shù)比值和H、C原子個數(shù)比值構(gòu)成的二維圖譜，其中O/C的值為橫坐標，H/C的值為縱坐標，主要的生物化學組分（包括脂類、多肽類、不飽和烴類、芳烴類、多環(huán)芳烴類和糖類等）都具有特定的O/C和H/C，因此，在VK圖中每類化合物都有其特定的位置。AImod是對DOM芳香化程度的一個度量，其計算公式為：

式中：C、H、O、N、S、C、O和S分別為英文字母對應化學元素的原子個數(shù)。

AImod≥0.5以及＜0.67是芳香類化合物，AImod≥0.67則屬于多環(huán)芳烴類化合物［45-46］。本研究中用到的常見的DOM組分的化合物分類方法見下（表1）［47］。

表1 傅立葉離子回旋共振質(zhì)譜（FT-ICRMS）分析得到的常見化合物類型分類［47］Table 1 The classification method of compound classes used for categorizing FT-ICRMSmolecular formulas［47］

3 結(jié)果與討論

3.1 冰塵中DOC濃度和紫外可見吸收光譜變化分析

冰塵的原位培養(yǎng)過程中，隨著培養(yǎng)時間的增加，冰塵水樣中DOC濃度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢［圖2（a）］，新鮮冰塵DOC的濃度為13.41 mg·L-1（D0），培養(yǎng)6 d后顯著降低至4.47 mg·L-1（D6）（P＜0.05），培養(yǎng)9 d后升高至4.95 mg·L-1（D9），培養(yǎng)結(jié)束持續(xù)升高至6.71 mg·L-1（D18）（P＞0.05）。培養(yǎng)初期（D0至D6），由于新鮮冰塵中存在大量生物活性高的DOC，瀝出到冰塵水樣中被微生物群落快速消耗利用［48］，同時部分DOC在強烈的光照作用下發(fā)生光降解［49］，導致冰塵水樣中DOC濃度短期內(nèi)顯著降低。培養(yǎng)中后期（D6至D18），冰塵在培養(yǎng)過程中DOC生物可利用性逐漸降低，冰塵水環(huán)境中瀝出的生物活性較低的DOC逐漸富集；冰塵中的自養(yǎng)型微生物在適應培養(yǎng)環(huán)境后，不斷將無機碳轉(zhuǎn)化成有機碳［19］，釋放到周圍的水環(huán)境中，導致培養(yǎng)后期冰塵水樣中DOC濃度持續(xù)升高。

通過對不同培養(yǎng)時間冰塵水樣中DOM的紫外可見光譜分析發(fā)現(xiàn)［圖2（b）］，新鮮冰塵（D0）中的DOM在300～350 nm范圍內(nèi)有明顯的吸收峰，這一吸收峰是類菌孢素氨基酸類化合物（mycosporinelike amino acids，MAAs）的典型吸收峰，MAAs是生長在紫外線較強環(huán)境下的微生物（如：子囊菌類和擔子菌類的真菌、藍藻、異養(yǎng)細菌以及微藻類）產(chǎn)生的一類能保護自身細胞免受紫外線傷害的化合物，在海洋和高海拔地區(qū)的湖泊中都有發(fā)現(xiàn)［50-52］；培養(yǎng)6 d后，冰塵水樣中DOM在300～350 nm范圍內(nèi)的吸收峰消失，僅在250～400 nm處有吸收峰，且吸收值較小；培養(yǎng)9 d后，冰塵水樣中DOM在250～400 nm之間的吸收值開始逐漸增加，培養(yǎng)至18 d時，冰塵水樣中DOM在250～400 nm的吸收值升高；以上變化趨勢表明，培養(yǎng)過程中冰塵水樣中具有吸光性的DOM濃度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢。

圖2 不同培養(yǎng)時間冰塵水樣中DOC濃度與紫外可見吸收光譜的變化Fig.2 Changesof DOCconcentration and UV-Vis absorption spectrain cryoconite water samples under different culture time

分析冰塵DOM的特征紫外吸光度SUVA254發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)初期，冰塵中DOM的SUVA254從0.35 L·mg·C-1·m-1（D0）顯著降低至0.08 L·mg·C-1·m-1（D6）（表2），培養(yǎng)后期，SUVA254顯著升高至0.50 L·mg·C-1·m-1（D18）（P＜0.05），這一變化表明培養(yǎng)后期DOM中具有吸光性的化合物含量顯著增加［42］。光譜斜率的比值SR的數(shù)值可以在一定程度上表征有色類DOM的來源，SR＞1和表示有色類DOM可能是內(nèi)源性的DOM，而SR＜1則表示有色類DOM可能是外源性的DOM［41］。整個培養(yǎng)過程中，冰塵中DOM的SR從1.93（D0）顯著降低至0.57（D18）（表2），表明DOM的來源逐漸由內(nèi)源性來源向外源性來源轉(zhuǎn)變。

表2 不同培養(yǎng)時間冰塵水樣中DOC、SUVA 254、S R以及AImod變化分析Table 2 The DOCconcentration，SUVA 254，S R and AImod for DOM samplesisolated from cryoconite water samples in different incubation time

3.2 冰塵中DOM分子組成和來源分析

ESI-FT-ICR MS結(jié)果顯示（圖3），老虎溝12號冰川新鮮冰塵中（D0）DOM的分子組成豐富，主要包含脂類（25.88%）、多肽類（20.11%）、低氧碳比的不飽和烴類（31.83%）和高氧碳比的不飽和烴類（18.12%），同時含有少量的芳烴類（3.34%）、多環(huán)芳烴類（0.59%）以及糖類化合物（0.13%）（表3）。按照不同元素組成對冰塵中DOM的分子進行分類（表4），發(fā)現(xiàn)新鮮冰塵中DOM的主要分子組成是CHO類分子（39.69%）和CHON類分子（49.30%），同時含有少量的CHOS（7.75%）和CHONS（3.26%）類分子，新鮮冰塵中CHON類分子含量接近50%，說明新鮮冰塵中的DOM具有很高的生物可利用性［53］。

表3 不同培養(yǎng)時間冰塵水樣中DOM的分子數(shù)和分子組成（不同化合物）分析Table 3 The number of total molecular formulas identified，the number and percentage content of molecular formulas assigned to each defined compound class for DOM samples isolated from cryoconite water samples in different incubation time

表4 不同培養(yǎng)時間冰塵水樣中DOM平均分子質(zhì)量和分子組成（不同元素化合物）分析Table 4 The average molecular weight，thenumber and percentage content of molecular formulas composed different element DOM samples isolated from cryoconite water samples in different incubation time

圖3 不同培養(yǎng)時間冰塵水樣DOM分子的VK圖Fig.3 Van Krevelen diagrams for the mass spectra of DOM in cryoconite water samples from different incubation time

有研究表明，冰塵是冰川表面微生物重要的聚集區(qū)［9-11］，冰塵中微生物群落非常豐富［11］。結(jié)合老虎溝12號冰川新鮮冰塵中DOM脂類（25.88%）和多肽類（20.11%）的含量，以及新鮮冰塵DOM的光譜斜率的比值SR=1.93（SR＞1），說明新鮮冰塵中DOM主要源自冰塵內(nèi)部的微生物活動［41，54］。同時，老虎溝12號冰川地處干旱和半干旱環(huán)繞區(qū)，西邊是塔里木盆地的塔克拉瑪干沙漠，西南與柴達木盆地毗鄰，北部是大面積的戈壁沙漠［55］，因此，陸源性輸入也是冰塵中DOM的重要來源，主要體現(xiàn)在新鮮冰塵中含有大量的低氧碳比的不飽和烴類（31.83%）和高氧碳比的不飽和烴類（18.12%），包括木質(zhì)素以及單寧類化合物［56］通過風媒或干濕沉降傳輸?shù)奖ū砻妗?/p>

3.3 冰塵中DOM分子組成演化特征分析

DOM的化學組成在整個培養(yǎng)過程中發(fā)生了明顯的變化［表3，圖4（a）］。從D0至D6，多肽類化合物的相對含量從20.11%降低到17.09%，高氧碳比的不飽和烴類化合物相對含量從18.12%降低至10.96%，芳烴類化合物的相對含量從3.34%降低至3.06%，多環(huán)芳烴類化合物相對含量從0.59%降低至0.16%；其他類型的化合物相對含量都有所增加，脂類化合物的相對含量從25.88%增加至33.91%，低氧碳比的不飽和烴類化合物的相對含量從31.83%增加到34.62%，糖類從0.13%增加到0.19%。以上變化趨勢說明在培養(yǎng)初期，生物可利用性高的多肽類分子可以快速被微生物消耗利用，同時光化學過程導致光敏感性強的芳烴類和多環(huán)芳烴類化合物相對含量均降低。從D6至D18，脂類和多肽類化合物的相對含量持續(xù)降低，脂類化合物的相對含量從33.91%降低至21%，多肽類化合物的相對含量從17.09%降低至12.76%；其他各類化合物的相對含量均表現(xiàn)為升高的趨勢，低氧碳比的不飽和烴類化合物的相對含量從34.62%增加到37.69%，高氧碳比的不飽和烴類化合物的相對含量從10.96%增加到20.89%，芳烴類化合物的相對含量從3.06%增加到5.62%，多環(huán)芳烴類化合物的相對含量從0.16%增加到1.60%，糖類化合物的相對含量從0.19%增加到0.45%。有研究表明，具有低AImod（AImod＜0.5）的不飽和烴類分子可能含有富含羧基的脂環(huán)分子［57］，這類分子是一類潛在的難降解化合物，可以通過細菌代謝產(chǎn)生［58］。Samui等［59］研究發(fā)現(xiàn)，南極冰蓋表面冰塵穴中的微生物在光照條件下可以降低甲酸和乙酸的含量，增加乙二酸的含量。結(jié)合本研究中DOM分子組成的變化趨勢，說明隨著培養(yǎng)時間的增加，在光氧化作用和微生物的作用下，隨著生物可利用性強的多肽類和脂類分子含量的明顯減少，生物活性較低的不飽和烴類、芳烴類化合物和多環(huán)芳烴類化合物開始富集，其中高氧碳比的不飽和烴類含量增加最為明顯，表明“光-生物”演化過程可以增加DOM分子的氧化程度和不飽和性。培養(yǎng)過程中冰塵水樣中DOM的AImod從0.15（D0）顯著升高至0.20（D18）（P＜0.05）（表2）很好的印證了這一結(jié)論。

圖4 不同培養(yǎng)時間冰塵水樣中DOM分子組成分析Fig.4 The relative contribution of molecular formulas assigned to each defined compound class（a）and the relative contribution of CHO，CHON，CHOS，and CHONSclasses（b）for DOM samples isolated from cryoconite water samples in different incubation

隨著培養(yǎng)時間的增加，DOM分子中CHO、CHON和CHOS類分子相對含量均發(fā)生了變化［表3，圖4（b）］，CHONS類分子含量較少變化規(guī)律不明顯。從D0至D6，總分子數(shù)從3 714減少到3 102，CHO類分子組成從39.69%升高到50.39%，CHOS類分子從7.75%升高至9.51%，CHON類分子則從49.30%減少到40.10%，從D6至D18，總分子數(shù)從3 102增加到4 500，CHO類分子含量從50.39%降低到40.47%，CHON類分子則從40.10%升高到47.16%，CHOS類分子含量變化不大?？傮w來說，培養(yǎng)初期（D0至D6），生物活性較高的CHON類分子含量迅速減少，CHO類分子和CHOS類分子含量增加；隨著培養(yǎng)時間的增加（D6至D18），CHO類分子組成減少，CHON類分子和CHOS類分子組成增加。有研究表明光照條件下微生物活動可以對冰川表面的DOM的分子組成進行修飾，使DOM分子中的N、S、P等元素含量增加［15］。因此，說明冰塵培養(yǎng)過程中“光-生物”演化過程使得冰塵中CHO類DOM向CHON和CHOS類DOM轉(zhuǎn)化。

為了更好的分析培養(yǎng)過程中DOM分子組成的演化過程，本研究結(jié)合四維文氏圖對D0、D6、D9和D18四個不同培養(yǎng)時段冰塵水樣中相同的DOM分子和不同的DOM分子進行了統(tǒng)計分析（圖5），發(fā)現(xiàn)有38.24%DOM分子是相同的，說明冰塵中有近40%的DOM分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)較穩(wěn)定，不易被微生物吸收利用也不易發(fā)生光化學反應。從D0至D6，冰塵水樣中特有的DOM分子比例從6.32%減少至4.26%，培養(yǎng)至D18，冰塵水樣中特有的DOM分子增加至13.60%，說明培養(yǎng)過程中不斷有新的DOM產(chǎn)生。比較不同培養(yǎng)時段樣品中特有的DOM分子組成發(fā)現(xiàn)，總體而言，微生物來源的脂類和多肽類分子占比呈降低趨勢，從67.21%（D0）降至9.95%（D18），高氧碳比的不飽和烴類化合物和低氧碳比的不飽和烴類化合物占比均表現(xiàn)為升高的趨勢，高氧碳比的不飽和類化合物占比從7.9%（D0）升高至21.5%（D18），低氧碳比的不飽和類化合物占比從22.2%（D0）升高至52.5%（D18），芳烴類化合物和多環(huán)芳烴類化合物占比也呈現(xiàn)升高的趨勢，芳烴類化合物占比從2.4%（D0）升高至11.1%（D18），多環(huán)芳烴類化合物占比從0.3%（D0）升高至3.8%（D18）。以上DOM組成變化說明，培養(yǎng)過程中，“光-生物”演化過程使得冰塵中DOM的組成不斷由生物活性較高的脂類和多肽類向生物活性較低的不飽和烴類、芳烴類以及多環(huán)芳烴類化合物轉(zhuǎn)化。

圖5 不同培養(yǎng)時間冰塵水樣中共有DOM分子和特有DOM分子百分含量及其分子組成分析Fig.5 The numbers within the Four-way Venn diagram are the percentage of overlapped component in different incubation time and unique component in each category.The relative contributions of molecular formulasassigned to each defined compound class are shown in unique components in the four pie charts i.e.D0（a），D6（b），D9（c）and D18（d）

4 結(jié)論

本研究通過冰塵的原位培養(yǎng)實驗研究消融期山地冰川表面冰塵中DOM的演化過程，結(jié)合紫外可見吸收光譜和電噴霧離子化傅立葉離子回旋共振質(zhì)譜等分析手段對不同培養(yǎng)時段（D0、D6、D9和D18）冰塵水樣中DOM的濃度、光學性質(zhì)和分子組成變化做了研究。結(jié)果顯示從D0至D6，DOC的濃度從13.41 mg·L-1減少到4.47 mg·L-1，從D6至D18，DOC的濃度從4.47 mg·L-1增加至6.72 mg·L-1，在長期的培養(yǎng)過程中，冰塵內(nèi)部微生物活動產(chǎn)生的DOC和冰塵本身含有的陸源性DOC通過瀝出作用不斷釋放到冰塵水樣中，導致冰塵水樣中DOC濃度的增加；DOM的紫外可見光譜變化規(guī)律和DOC變化一致，吸光系數(shù)在250～400 nm表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢，DOM的特征紫外吸光度SUVA254在培養(yǎng)后期顯著增大，表明培養(yǎng)后期DOM中具有吸光性的化合物含量顯著升高。

ESI-FT-ICR MS的結(jié)果顯示DOM的分子組成在培養(yǎng)過程中發(fā)生了明顯的變化，結(jié)合四維的文氏圖分析顯示，四個培養(yǎng)時段的冰塵水樣中有38.24%的DOM分子是相同的，說明冰塵中有38.24%的DOM分子結(jié)構(gòu)組成非常穩(wěn)定，冰塵水樣中特有的DOM分子的比例呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，從6.32%（D0）降低至4.26%（D6）然后持續(xù)升高至13.6%（D18），說明冰塵原位培養(yǎng)過程中在光照和微生物活動的作用下，不斷有新的DOM產(chǎn)生。分析每個培養(yǎng)時段特有的DOM的分子組成發(fā)現(xiàn)，從D0到D18，脂類和多肽類含量從67.2%降低至10.0%，不飽和烴類含量從30.1%升高至74.0%，芳烴類含量從2.4%升高至11.1%，多環(huán)芳烴類含量從0.3升高至3.8%。通過活躍的“光-生物”演化過程，冰塵中DOM的分子組成發(fā)生了明顯的生物化學演化，從微生物來源的脂類和多肽類分子不斷向陸源性的不飽和烴類、芳烴類和多環(huán)芳烴類分子演化，在此過程中，DOM的氧化程度和不飽和程度均有所增加。

謹以此文，紀念李吉均院士！