长江口及其邻近海域溶解有机氮的生物可利用性及其在赤潮爆发过程中的作用研究

发布时间：2019-10-14 11:33

【摘要】：溶解有机氮(DON)是近海海洋系统中最大的氮储库,其构成和生物可利用性对近海生态系统中浮游植物种群和丰度具有重要影响。长江口及其邻近海域是世界上富营养化污染最为严重的海域之一,近些年春、夏季连年爆发大规模赤潮,并呈现出硅藻赤潮向甲藻赤潮演替的现象。氮是维持赤潮发生规模的决定性因素之一,研究其来源、转化以及其在赤潮爆发过程中的作用,是阐明该海域富营养化形成和赤潮发生机制的重要科学问题。然而,目前对该海域氮的来源和生物地球化学过程的研究主要侧重于溶解无机氮(DIN),而对DON的生物可利用性及其在赤潮爆发中的作用尚缺乏深入研究。本论文以长江口及其邻近海域为研究对象,综合应用历史资料收集、现场调查、室内试验与现场培养试验及15N同位素标记培养试验方法,系统研究了2011-2014年间该海域DON及其中氨基酸和尿素的长江输入通量和时空分布特征,以氨基酸的构成和丰度为指标评价该海域不同季节特别是春末夏初甲藻赤潮爆发期间DON的生物可利用性潜力,确定该海域典型赤潮藻对DON及其组分尿素和氨基酸的吸收利用动力学特性,初步探讨DON在该海域大规模甲藻爆发和维持中的营养作用机制。论文的主要研究结果如下：1、长江输入东海的溶解有机氮的构成、通量和生物可利用性1)2011～2014年长江大通站DON浓度与长江径流量呈负相关,表现出春冬季高、夏秋季低的变化特征。其浓度在10.25～90.52μmol·L-1之间,占溶解态总氮(TDN)比例为7.40～50.89%。其中,具有较高生物可利用性组分包括尿素、自由态氨基酸(DFAA).结合态氨基酸(DCAA)平均占DON的氮摩尔分数分别为19.1、0.6、4.2%。2)长江DON输入通量为43.54万吨/年,约占TDN年输入通量的20%。其中,尿素、DFAA.DCAA年输入氮通量分别为6.62、0.25和1.64万吨/年,分别占DON年通量的15.21、0.57、3.78%。3)总溶解态氨基酸(TDAA)占DOC的氮摩尔比例(TDAA(%DOC))和氨基酸降解(DI)指数均表明,长江水体中DON具有较高的生物可利用性潜力,且呈现且呈现春季和夏季相对高、秋季和冬季相对低的变化特征。2、长江口及其邻近海域溶解有机氮的时空分布特征和生物可利用性潜力评价1)通过分析2002、2010和2014年历史数据现场调查数据表明,研究海域DON浓度及其在TDN中占比较高,平均在50%以上,且呈现秋季高、春季和夏季低的变化特征。受长江径流输入和浮游植物自身共同影响,DON浓度基本呈现近岸高,外海低和北部高、南部低的平面分布特征；而DON/TDN则呈现外海高、近岸低的分布特征。2)DON中具有高生物可利用性组分尿素和TDAA的含量较高。其中,2014年春季调查海域尿素和TDAA平均浓度分别达到0.84±0.33μmol·L-1和0.96±0.74μmol·L-1,平均占DON的氮摩尔比例分别26.49±14.14%和17.73±12.01%；秋季尿素和TDAA平均浓度分别为0.98±0.28μmol·L-1和0.67±0.32μmol·L-1,占DON的氮比例分别为40.42±±16.14%和15.50±8.70%。3)基于现场培养试验,以TDAA (%DON)为指标,确定了研究海域具有生物可利用性的DON (Bio-DON)的含量。其中,2014年春季调查海域Bio-DON浓度和I3io-DON/DON比值分别达至2.76±1.82μmol·L-1和44.844±26.69%,秋季则分别达到1.94±1.08μmol·L-1和41.43±±23.62%。4)基于15N同位素标记现场培养实验,估算了不同研究海域夏季和秋季不同形态氮包括N03-N、尿素、DFAA和DON的吸收速率及其在海域的周转时间。夏季该海域N03-N、尿素、DFAA及DON的吸收速率分别是13.05±8.88、15.81 ±3.00、10.62±4.64、45.44±18.32nmol N l-1 h-1,周转时间分别为228.82±243.45、3.64±0.49、3.22±1.35、13.58±8.10d：秋季该海域N03-N、尿素、DFAA绝对吸收速率分别是16.18±1.89、4.20±1.44、1.94±0.55nmol Nl-1 h-1,周转时间分别为134.88±31.33、16.79±7.15、23.31±6.28d。3、DON在长江口及其邻近海域赤潮爆发过程中的作用及其机制探讨1)通过室内和现场15N同位素培养试验,确定了研究海域典型赤潮肇事种中肋骨条藻(Skeletonema costatum)和东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)对N03-N、尿素.DFAA和DON的吸收利用动力学特征。2种藻均可以利用N03-N、尿素、DFAA和DON不同形态的氮,且对不同形态氮吸收都符合米氏方程。而且发现东海原甲藻对N03-N和尿素较中肋骨条藻更有竞争优势,而中肋骨条藻对氨基酸和DON的吸收较东海原甲藻更有优势。2)基于生物培养实验确定的具有生物可利用性的DON (Bio-DON),调查海域表层Bio-DON平均浓度分别在2011年春季赤潮的硅甲藻演替期(ZA断面)、甲藻赤潮爆发期(ZB断面)和甲藻赤潮发展期(ZC断面)下降了4.93、7.60、6.87μmol·L-1占总可被生物利用的TDN的50%以上：其中,DON组分中表层尿素、DFAA和DCAA含量都显著下降,降幅分别达到68.75、27.61和23.02%,29.81(中层)、47.67和37.96%,29.33、45.41和64.61%。3)综合上述结果分析表明,在硅甲藻演替期间,不仅东海原甲藻较中肋骨条藻对低浓度N03-N的吸收更有竞争力,且海域DON具有高生物可利用性,可直接或间接为东海原甲藻赤潮爆发提供相当比例的氮。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X55

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