馮 琳， 徐建中， 翟立翔，3

（1.阿壩師范學(xué)院，四川汶川623002；2.中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，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(lái)，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(jī)物質(zhì)、無(wú)機(jī)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(guó)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(zhǎng)具有明顯的季節(jié)性，并且具有生長(zhǎng)、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(huì)形成表面被絲狀藍(lán)藻包裹，內(nèi)部均勻分布無(wú)機(jī)顆粒和有機(jī)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(méi)有融水支持，部分冰塵顆粒會(huì)進(jìn)入休眠階段而停止生長(zhǎng)，另一部分冰塵顆粒則會(huì)發(fā)生裂解，裂解形成的碎片在生長(zhǎng)期重新發(fā)育成新的冰塵［4］。

冰川表面的微生物群落通過(guò)與環(huán)境的相互作用，對(duì)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(lèi)、古細(xì)菌、細(xì)菌、真菌、原生生物和病毒［11］，細(xì)菌群落以藍(lán)藻、綠塑菌、變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)和放線菌門(mén)為主［12］。冰塵中的微生物在利用溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）的同時(shí)會(huì)不斷產(chǎn)生新的DOM［13］。冰川表面DOM通過(guò)冰川融水被重新分配到其他環(huán)境，為營(yíng)養(yǎng)匱乏的冰川環(huán)境提供營(yíng)養(yǎng)和能量來(lái)源［14］。因此，冰塵在冰川物質(zhì)能量平衡、冰川生物地球化學(xué)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(guò)程中，光化學(xué)過(guò)程和生物過(guò)程之間存在著相互作用的關(guān)系［15］。一方面，光降解可導(dǎo)致DOM完全氧化為CO2或部分氧化形成新的DOM，導(dǎo)致DOM化學(xué)組成發(fā)生改變［16-18］；另一方面，冰川表面強(qiáng)烈的紫外輻射會(huì)傷害微生物細(xì)胞，改變微生物的活動(dòng)和群落組成［19］，從而顯著改變DOM的化學(xué)組成［20］。因此，分析山地冰川表面冰塵中DOM的“光-生物”演化過(guò)程對(duì)研究消融期山地冰川表面DOM的演化過(guò)程至關(guān)重要。

DOM作為一類(lèi)具有復(fù)雜組成、結(jié)構(gòu)和環(huán)境行為的有機(jī)混合物，通常被定義為能夠通過(guò)孔徑為0.45μm濾膜且可溶于水的碳基有機(jī)化合物，是由蛋白質(zhì)、油脂、類(lèi)脂、碳水化合物、氨基酸以及有機(jī)酸等經(jīng)過(guò)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(xué)組成豐富（包含有C、N、S和P等營(yíng)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(yíng)養(yǎng)水平、化學(xué)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(shù)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(xué)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(jiàn)吸收光譜、三維熒光光譜由于其高靈敏性、高精度，操作簡(jiǎn)便等特性，目前被廣泛應(yīng)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(lái)了突破性的進(jìn)展，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類(lèi)水體中DOM的組成和來(lái)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(fù)雜化合物的分子組成確定［31-32］，為分析冰川DOM的組成和來(lái)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(lèi)和蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)，來(lái)源主要是微生物來(lái)源，冰川中的DOM具有很高的生物可利用性［33-34］。同時(shí)冰川表面的消融過(guò)程在消融初期會(huì)引起冰川表面雪冰中DOM的減少，消融后期引起含N類(lèi)DOM的增多和富集，消融過(guò)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(duì)山地冰川表面DOM的“光-生物”演化過(guò)程的研究，因此本研究通過(guò)在老虎溝12號(hào)冰川消融區(qū)開(kāi)展光照條件下冰塵的原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)探討冰川表面DOM的“光-生物”演化過(guò)程，為研究冰川表面DOM的演化過(guò)程提供參考。

本研究基于冰塵原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，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(hào)冰川表面冰塵中DOM的演化過(guò)程。本文的主要研究?jī)?nèi)容是：（1）分析冰塵中DOM的濃度變化和光學(xué)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(guò)程。

1 野外實(shí)驗(yàn)

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(hào)冰川（39°25.7′N(xiāo)，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(guó)西北干旱區(qū)重要的“天然水庫(kù)”［36］。老虎溝12號(hào)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(fù)式山谷冰川。最高海拔5 483 m，末端海拔4 250 m，總長(zhǎng)9.7 km，面積20.37 km2，冰儲(chǔ)量達(dá)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(chǔ)量減少了0.1816 km3［37］。老虎溝12號(hào)冰川消融區(qū)表面冰塵含量豐富且平緩開(kāi)闊，被視為開(kāi)展冰川化學(xué)和冰川消融研究的理想地點(diǎn)，是進(jìn)行冰塵原位培養(yǎng)探究山地冰川表面DOM演化過(guò)程的理想?yún)^(qū)域。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置及樣品采集

原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)選擇于消融期中期（7—8月）進(jìn)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(zhǎng)活躍期，有利于冰塵原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展。本研究于2016年7月22日—8月10日在祁連山老虎溝12號(hào)冰川消融區(qū)開(kāi)展為期18天的冰塵原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)點(diǎn)見(jiàn)圖1）。培養(yǎng)期間老虎溝12號(hào)冰川平均氣溫0.28～4.28℃，期間有2次較為明顯的降水過(guò)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(duì)原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)影響不大。

圖1 老虎溝12號(hào)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(shí)驗(yàn)設(shè)置三個(gè)平行樣品，用預(yù)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(yù)先清潔的玻璃三角瓶中，使培養(yǎng)瓶中冰塵厚度達(dá)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(kāi)瓶蓋取上層水樣約50 mL裝入預(yù)先清潔的玻璃采樣瓶中，冷藏保存用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)室分析。同時(shí)緩慢向培養(yǎng)瓶中補(bǔ)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(shí)的“光-生物”演化過(guò)程。實(shí)驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照冰雪采樣程序進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)用品均預(yù)先進(jìn)行了嚴(yán)格的清潔，玻璃制品和不銹鋼制品均在500℃燒6 h除去有機(jī)物。

2 實(shí)驗(yàn)分析

將不同培養(yǎng)時(shí)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(guò)濾，過(guò)濾后的濾液直接用于測(cè)定溶解性有機(jī)碳（DOC）濃度和紫外可見(jiàn)光譜，DOM的結(jié)構(gòu)組成異常復(fù)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(lái)表征DOM的濃度。DOC濃度和紫外可見(jiàn)光譜分析將同一培養(yǎng)時(shí)段的剩余樣品混合后進(jìn)行固相萃取用于高分辨質(zhì)譜分析。

2.1 DOC分析測(cè)定

使用德國(guó)Elementar元素分析儀Vario EL進(jìn)行樣品DOC的分析測(cè)試。將10 mL過(guò)濾好的液體樣品用100μL 10%鹽酸進(jìn)行酸化（pH=2）去除無(wú)機(jī)碳酸鹽，DOC采用NPOC（Non-purgeable OC）方法，樣品進(jìn)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(cè)器測(cè)定得到DOC濃度。該儀器校準(zhǔn)所用標(biāo)準(zhǔn)為鄰苯二甲酸氫鉀。儀器最低檢測(cè)限是2μg C·L-1，精確度為±5%，C的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＜1%。

2.2 紫外光譜分析測(cè)定

DOM的紫外可見(jiàn)吸收光譜的測(cè)定采用島津UV-2410PC紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，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(cè)試完成后，通過(guò)減去690 nm至700 nm之間的平均吸光值來(lái)修正每個(gè)樣品的吸光值，然后通過(guò)式（1）將吸光值轉(zhuǎn)化成吸收系數(shù)［40］：

式中：A（λ)為波長(zhǎng)λ時(shí)DOM的吸光值；L為光吸收路徑（針對(duì)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(duì)數(shù)值。

DOM光譜斜率（S）是用指通過(guò)式（2）利用指數(shù)函數(shù)非線性擬合來(lái)計(jì)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(qiáng)弱的一個(gè)指數(shù)，SUVA254是由波長(zhǎng)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(zhǎng)·mg·C-1·m-1［42］。

2.3 ESI-FT-ICR MS分析測(cè)定

2.3.1 固相萃取

樣品在進(jìn)行ESIFT-ICR MS分析之前，通過(guò)固相萃取對(duì)DOM進(jìn)行濃縮并除去無(wú)機(jī)鹽，同時(shí)設(shè)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(cè)處理過(guò)程中是否引進(jìn)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(guò)活化好的PPL柱子，待樣品全部通過(guò)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(yù)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(duì)洗脫液中的DOM進(jìn)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(jī)分析檢測(cè)。

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(guò)ESI離子源（Bruker Daltonik GmbH，Bremen，Germany），ESI電離源正負(fù)離子模式均使用，經(jīng)過(guò)電噴霧離子化的樣品進(jìn)入配有9.4 T的FT-ICR MS（Bruker Daltonik GmbH，Bremen，Germany）進(jìn)行分析，質(zhì)荷比的檢測(cè)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(dǎo)入到Excel數(shù)據(jù)表中，利用美國(guó)高磁國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的PetrOrg??軟件進(jìn)行分子式計(jì)算［43］。計(jì)算分子式時(shí)含有的12C、1H、16O、14N、32S、13C、18O和34S最大原子數(shù)分別設(shè)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(duì)FT-ICR MS的結(jié)果進(jìn)行分析，我們采用Van Krevelen圖（VK圖）［44］，并計(jì)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(gè)數(shù)比值和H、C原子個(gè)數(shù)比值構(gòu)成的二維圖譜，其中O/C的值為橫坐標(biāo)，H/C的值為縱坐標(biāo)，主要的生物化學(xué)組分（包括脂類(lèi)、多肽類(lèi)、不飽和烴類(lèi)、芳烴類(lèi)、多環(huán)芳烴類(lèi)和糖類(lèi)等）都具有特定的O/C和H/C，因此，在VK圖中每類(lèi)化合物都有其特定的位置。AImod是對(duì)DOM芳香化程度的一個(gè)度量，其計(jì)算公式為：

式中：C、H、O、N、S、C、O和S分別為英文字母對(duì)應(yīng)化學(xué)元素的原子個(gè)數(shù)。

AImod≥0.5以及＜0.67是芳香類(lèi)化合物，AImod≥0.67則屬于多環(huán)芳烴類(lèi)化合物［45-46］。本研究中用到的常見(jiàn)的DOM組分的化合物分類(lèi)方法見(jiàn)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(jiàn)化合物類(lèi)型分類(lèi)［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(jiàn)吸收光譜變化分析

冰塵的原位培養(yǎng)過(guò)程中，隨著培養(yǎng)時(shí)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(shì)［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(shí)部分DOC在強(qiáng)烈的光照作用下發(fā)生光降解［49］，導(dǎo)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(guò)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(yīng)培養(yǎng)環(huán)境后，不斷將無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化成有機(jī)碳［19］，釋放到周?chē)乃h(huán)境中，導(dǎo)致培養(yǎng)后期冰塵水樣中DOC濃度持續(xù)升高。

通過(guò)對(duì)不同培養(yǎng)時(shí)間冰塵水樣中DOM的紫外可見(jiàn)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(lèi)菌孢素氨基酸類(lèi)化合物（mycosporinelike amino acids，MAAs）的典型吸收峰，MAAs是生長(zhǎng)在紫外線較強(qiáng)環(huán)境下的微生物（如：子囊菌類(lèi)和擔(dān)子菌類(lèi)的真菌、藍(lán)藻、異養(yǎng)細(xì)菌以及微藻類(lèi)）產(chǎn)生的一類(lèi)能保護(hù)自身細(xì)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??；培養(yǎng)9 d后，冰塵水樣中DOM在250～400 nm之間的吸收值開(kāi)始逐漸增加，培養(yǎng)至18 d時(shí)，冰塵水樣中DOM在250～400 nm的吸收值升高；以上變化趨勢(shì)表明，培養(yǎng)過(guò)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(shì)。

圖2 不同培養(yǎng)時(shí)間冰塵水樣中DOC濃度與紫外可見(jiàn)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(lèi)DOM的來(lái)源，SR＞1和表示有色類(lèi)DOM可能是內(nèi)源性的DOM，而SR＜1則表示有色類(lèi)DOM可能是外源性的DOM［41］。整個(gè)培養(yǎng)過(guò)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(lái)源逐漸由內(nèi)源性來(lái)源向外源性來(lái)源轉(zhuǎn)變。

表2 不同培養(yǎng)時(shí)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(lái)源分析

ESI-FT-ICR MS結(jié)果顯示（圖3），老虎溝12號(hào)冰川新鮮冰塵中（D0）DOM的分子組成豐富，主要包含脂類(lèi)（25.88%）、多肽類(lèi)（20.11%）、低氧碳比的不飽和烴類(lèi)（31.83%）和高氧碳比的不飽和烴類(lèi)（18.12%），同時(shí)含有少量的芳烴類(lèi)（3.34%）、多環(huán)芳烴類(lèi)（0.59%）以及糖類(lèi)化合物（0.13%）（表3）。按照不同元素組成對(duì)冰塵中DOM的分子進(jìn)行分類(lèi)（表4），發(fā)現(xiàn)新鮮冰塵中DOM的主要分子組成是CHO類(lèi)分子（39.69%）和CHON類(lèi)分子（49.30%），同時(shí)含有少量的CHOS（7.75%）和CHONS（3.26%）類(lèi)分子，新鮮冰塵中CHON類(lèi)分子含量接近50%，說(shuō)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(shí)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(shí)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(shí)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(hào)冰川新鮮冰塵中DOM脂類(lèi)（25.88%）和多肽類(lèi)（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(shuō)明新鮮冰塵中DOM主要源自冰塵內(nèi)部的微生物活動(dòng)［41，54］。同時(shí)，老虎溝12號(hào)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(dá)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(lái)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(lèi)（31.83%）和高氧碳比的不飽和烴類(lèi)（18.12%），包括木質(zhì)素以及單寧類(lèi)化合物［56］通過(guò)風(fēng)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(xué)組成在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中發(fā)生了明顯的變化［表3，圖4（a）］。從D0至D6，多肽類(lèi)化合物的相對(duì)含量從20.11%降低到17.09%，高氧碳比的不飽和烴類(lèi)化合物相對(duì)含量從18.12%降低至10.96%，芳烴類(lèi)化合物的相對(duì)含量從3.34%降低至3.06%，多環(huán)芳烴類(lèi)化合物相對(duì)含量從0.59%降低至0.16%；其他類(lèi)型的化合物相對(duì)含量都有所增加，脂類(lèi)化合物的相對(duì)含量從25.88%增加至33.91%，低氧碳比的不飽和烴類(lèi)化合物的相對(duì)含量從31.83%增加到34.62%，糖類(lèi)從0.13%增加到0.19%。以上變化趨勢(shì)說(shuō)明在培養(yǎng)初期，生物可利用性高的多肽類(lèi)分子可以快速被微生物消耗利用，同時(shí)光化學(xué)過(guò)程導(dǎo)致光敏感性強(qiáng)的芳烴類(lèi)和多環(huán)芳烴類(lèi)化合物相對(duì)含量均降低。從D6至D18，脂類(lèi)和多肽類(lèi)化合物的相對(duì)含量持續(xù)降低，脂類(lèi)化合物的相對(duì)含量從33.91%降低至21%，多肽類(lèi)化合物的相對(duì)含量從17.09%降低至12.76%；其他各類(lèi)化合物的相對(duì)含量均表現(xiàn)為升高的趨勢(shì)，低氧碳比的不飽和烴類(lèi)化合物的相對(duì)含量從34.62%增加到37.69%，高氧碳比的不飽和烴類(lèi)化合物的相對(duì)含量從10.96%增加到20.89%，芳烴類(lèi)化合物的相對(duì)含量從3.06%增加到5.62%，多環(huán)芳烴類(lèi)化合物的相對(duì)含量從0.16%增加到1.60%，糖類(lèi)化合物的相對(duì)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(lèi)分子可能含有富含羧基的脂環(huán)分子［57］，這類(lèi)分子是一類(lèi)潛在的難降解化合物，可以通過(guò)細(xì)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(shì)，說(shuō)明隨著培養(yǎng)時(shí)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(qiáng)的多肽類(lèi)和脂類(lèi)分子含量的明顯減少，生物活性較低的不飽和烴類(lèi)、芳烴類(lèi)化合物和多環(huán)芳烴類(lèi)化合物開(kāi)始富集，其中高氧碳比的不飽和烴類(lèi)含量增加最為明顯，表明“光-生物”演化過(guò)程可以增加DOM分子的氧化程度和不飽和性。培養(yǎng)過(guò)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(shí)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(shí)間的增加，DOM分子中CHO、CHON和CHOS類(lèi)分子相對(duì)含量均發(fā)生了變化［表3，圖4（b）］，CHONS類(lèi)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(lèi)分子組成從39.69%升高到50.39%，CHOS類(lèi)分子從7.75%升高至9.51%，CHON類(lèi)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(lèi)分子含量從50.39%降低到40.47%，CHON類(lèi)分子則從40.10%升高到47.16%，CHOS類(lèi)分子含量變化不大?？傮w來(lái)說(shuō)，培養(yǎng)初期（D0至D6），生物活性較高的CHON類(lèi)分子含量迅速減少，CHO類(lèi)分子和CHOS類(lèi)分子含量增加；隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加（D6至D18），CHO類(lèi)分子組成減少，CHON類(lèi)分子和CHOS類(lèi)分子組成增加。有研究表明光照條件下微生物活動(dòng)可以對(duì)冰川表面的DOM的分子組成進(jìn)行修飾，使DOM分子中的N、S、P等元素含量增加［15］。因此，說(shuō)明冰塵培養(yǎng)過(guò)程中“光-生物”演化過(guò)程使得冰塵中CHO類(lèi)DOM向CHON和CHOS類(lèi)DOM轉(zhuǎn)化。

為了更好的分析培養(yǎng)過(guò)程中DOM分子組成的演化過(guò)程，本研究結(jié)合四維文氏圖對(duì)D0、D6、D9和D18四個(gè)不同培養(yǎng)時(shí)段冰塵水樣中相同的DOM分子和不同的DOM分子進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（圖5），發(fā)現(xiàn)有38.24%DOM分子是相同的，說(shuō)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(xué)反應(yīng)。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(shuō)明培養(yǎng)過(guò)程中不斷有新的DOM產(chǎn)生。比較不同培養(yǎng)時(shí)段樣品中特有的DOM分子組成發(fā)現(xiàn)，總體而言，微生物來(lái)源的脂類(lèi)和多肽類(lèi)分子占比呈降低趨勢(shì)，從67.21%（D0）降至9.95%（D18），高氧碳比的不飽和烴類(lèi)化合物和低氧碳比的不飽和烴類(lèi)化合物占比均表現(xiàn)為升高的趨勢(shì)，高氧碳比的不飽和類(lèi)化合物占比從7.9%（D0）升高至21.5%（D18），低氧碳比的不飽和類(lèi)化合物占比從22.2%（D0）升高至52.5%（D18），芳烴類(lèi)化合物和多環(huán)芳烴類(lèi)化合物占比也呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，芳烴類(lèi)化合物占比從2.4%（D0）升高至11.1%（D18），多環(huán)芳烴類(lèi)化合物占比從0.3%（D0）升高至3.8%（D18）。以上DOM組成變化說(shuō)明，培養(yǎng)過(guò)程中，“光-生物”演化過(guò)程使得冰塵中DOM的組成不斷由生物活性較高的脂類(lèi)和多肽類(lèi)向生物活性較低的不飽和烴類(lèi)、芳烴類(lèi)以及多環(huán)芳烴類(lèi)化合物轉(zhuǎn)化。

圖5 不同培養(yǎng)時(shí)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(guò)冰塵的原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究消融期山地冰川表面冰塵中DOM的演化過(guò)程，結(jié)合紫外可見(jiàn)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(duì)不同培養(yǎng)時(shí)段（D0、D6、D9和D18）冰塵水樣中DOM的濃度、光學(xué)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(zhǎng)期的培養(yǎng)過(guò)程中，冰塵內(nèi)部微生物活動(dòng)產(chǎn)生的DOC和冰塵本身含有的陸源性DOC通過(guò)瀝出作用不斷釋放到冰塵水樣中，導(dǎo)致冰塵水樣中DOC濃度的增加；DOM的紫外可見(jiàn)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(shì)，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(guò)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(gè)培養(yǎng)時(shí)段的冰塵水樣中有38.24%的DOM分子是相同的，說(shuō)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(shì)，從6.32%（D0）降低至4.26%（D6）然后持續(xù)升高至13.6%（D18），說(shuō)明冰塵原位培養(yǎng)過(guò)程中在光照和微生物活動(dòng)的作用下，不斷有新的DOM產(chǎn)生。分析每個(gè)培養(yǎng)時(shí)段特有的DOM的分子組成發(fā)現(xiàn)，從D0到D18，脂類(lèi)和多肽類(lèi)含量從67.2%降低至10.0%，不飽和烴類(lèi)含量從30.1%升高至74.0%，芳烴類(lèi)含量從2.4%升高至11.1%，多環(huán)芳烴類(lèi)含量從0.3升高至3.8%。通過(guò)活躍的“光-生物”演化過(guò)程，冰塵中DOM的分子組成發(fā)生了明顯的生物化學(xué)演化，從微生物來(lái)源的脂類(lèi)和多肽類(lèi)分子不斷向陸源性的不飽和烴類(lèi)、芳烴類(lèi)和多環(huán)芳烴類(lèi)分子演化，在此過(guò)程中，DOM的氧化程度和不飽和程度均有所增加。

謹(jǐn)以此文，紀(jì)念李吉均院士！