九龍江口水體堿性磷酸酶活性及其對磷循環(huán)的影響

李 明，陳 露，歐光南，黃水英，何碧煙

(1.集美大學(xué)海洋食品與生物工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.集美大學(xué)港口與海岸工程學(xué)院，福建 廈門 361021；3.福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點實驗室，福建 廈門 361102；4.廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，福建 廈門 361102)

0 引言

自然水體中的磷循環(huán)深受研究者關(guān)注，因為磷是所有生物進行能量傳輸和生長所必需的營養(yǎng)元素，但是磷營養(yǎng)的過剩也會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡。水體中磷的存在形態(tài)包括顆粒態(tài)總磷(particulate total phosphorus，PTP)和溶解態(tài)總磷(dissolved total phosphorus，DTP)。PTP主要來源于外源輸入[1]，DTP主要來源于外源輸入和內(nèi)源釋放，可細分為DOP和DIP。長期以來，對河口、近岸水體磷循環(huán)的研究主要集中在磷的源-匯平衡[2]以及物理化學(xué)過程對不同形態(tài)的磷之間分布的影響，包括顆粒物對磷酸鹽的吸附-解吸[3]、金屬氫氧化物還原過程中磷酸鹽的釋放[4]以及沉積物-水界面磷酸鹽的擴散和通量等[5-6]。相對而言，對DOP的生物有效性及其在河口、近岸系統(tǒng)中的循環(huán)研究仍然較少[7]。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

搭乘廈門大學(xué)科考船“海洋2號”，分別于2018年11月(秋季)和2019年2月(冬季)對九龍江口水域進行了2個航次的調(diào)查，沿著鹽度梯度設(shè)置10個站位(見圖1)采集水樣，選擇代表性站位A5、A6、A7、A8采集表層(距水面0.5 m)和底層(距水底0.5 m)水樣，其余站位只采集表層水樣。水樣使用5 L Niskin采水器采集，裝于塑料采樣瓶中(瓶子經(jīng)稀鹽酸浸泡過夜，然后用超純水淋洗到中性，之后于50 ℃烘干)，置于4 ℃冷藏，運回實驗室后馬上進行后續(xù)處理。溫度(T)通過 SBE-917 自容式CTD 在原位測定，鹽度(S)采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀 (WTW Multi 340i/SET)現(xiàn)場測定。用于溶解態(tài)APA測定的水樣經(jīng)0.45 μm醋酸纖維素濾膜過濾后冷藏，一周內(nèi)完成分析。DOP和DIP測定所用的水樣經(jīng)0.45 μm醋酸纖維素濾膜過濾后，濾液在-20 ℃冷凍保存，一個月內(nèi)完成測定。

1.2 樣品測定

1.2.1 DAPA、PAPA和TAPA的測定

TAPA采用Kwon等[25]的分光光度法進行測定，過程如下：取20 mL未經(jīng)過濾的海水，加入1 mL 1 mol/L Tris-HCl緩沖溶液和0.5 mL 10 mmol/L磷酸苯二鈉溶液，置于37 ℃水浴反應(yīng)6 h。再加入1 mL質(zhì)量分數(shù)為0.3%安替吡啉溶液和1 mL質(zhì)量分數(shù)為0.5%鐵氰化鉀溶液，繼續(xù)反應(yīng)15 min，定容至25 mL，離心分離，上清液在510 nm處測定從磷酸苯二鈉水解釋放的苯酚含量，以單位時間單位體積內(nèi)苯酚的產(chǎn)量作為評定APA的指標(biāo)，從而計算得出酶的活性。DAPA用經(jīng)過0.45 μm的濾膜過濾的濾液，采用同樣的方法進行測定。PAPA通過TAPA減去DAPA求得。

1.2.2 DTP和DIP的測定

1)DTP的測定 采用過硫酸鉀加熱消解，把有機磷轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，所生成的磷酸鹽濃度采用鉬酸銨分光光度法測定[26]。基本步驟如下：水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，取25 mL濾液加入350 μL 50 g/L的過硫酸鉀溶液，在95 ℃水浴鍋中恒溫消解3 h，取出水樣冷卻至室溫，再依次加入0.5 mL 100 g/L的抗壞血酸溶液和0.5 mL鉬酸銨混合液，振蕩均勻，測得的是DTP。

2)DIP的測定 取25 mL濾液，未經(jīng)消解直接測定，測得的是DIP。

DOP由DTP減去DIP得出。每一個樣品重復(fù)3次，取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件中斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)分析APA與各環(huán)境參數(shù)之間的相關(guān)性。使用Excel 2007中的單因素方差分析法比較秋季和冬季各組參數(shù)測定值之間的差異，采用F檢驗的方法判斷兩者的差異性程度。

2 結(jié)果

2.1 水環(huán)境參數(shù)的變化

航次調(diào)查期間九龍江口的水環(huán)境參數(shù)見表1。根據(jù)九龍江多年平均徑流量數(shù)據(jù)[27]，11月和2月的月平均徑流量分別為176.8 m3/s和183.6 m3/s，二者相差不大，同處枯水期。2018 年11月(秋季)和2019年2月(冬季)航次調(diào)查期間，九龍江口水體的鹽度變化范圍分別為 0～30.2和0.1～27.0。河口上游，2個季節(jié)的鹽度差別不大；河口下游，秋季鹽度高于冬季，2個季節(jié)的鹽度差異主要是受潮汐影響。秋季和冬季的水溫變化范圍分別為20.5～21.8 ℃和16.9～18.8 ℃，秋季溫度明顯高于冬季。秋季和冬季的Chl-a質(zhì)量濃度變化范圍分別為1.5～11.5 mg/m3和2.4～6.7 mg/m3，除了A5站底層Chl-a濃度秋季明顯高于冬季外，其余站位2個季節(jié)差別不顯著。秋季和冬季的SPM變化范圍分別為21.7～636.7 mg/L和17.4～68.7 mg/L，秋季顯著高于冬季，這可能是因為秋季采樣期間是大潮，強烈的潮汐作用導(dǎo)致沉積物再懸浮，使得秋季SPM顯著高于冬季。

表1 航次調(diào)查期間九龍江口水體溫度、鹽度、SPM、Chl-a、細菌豐度和徑流量的變化范圍Tab.1 Range of temperature,salinity,SPM,Chl-a,bacterial abundance and river discharges in the Jiulong River Estuary during the cruises

2.2 磷濃度的時空分布

九龍江口表層水體DTP、DIP和DOP濃度變化如圖2所示。由圖2可見：秋季 DTP的濃度范圍介于1.34～3.21 μmol/L，平均值為(2.16±0.57)μmol/L，其濃度沿河口下游方向先升高，在A4站濃度達到峰值，之后濃度逐漸下降，到河口下游的JY2站濃度降至最低值；冬季DTP的濃度范圍介于1.17～4.01 μmol/L，平均值為(2.61±0.96)μmol/L，略高于秋季，但DTP濃度的分布特征與秋季基本一致。九龍江口秋季和冬季DTP的主要成分都是DIP，秋季DIP平均占DTP的(89.6±2.7)%，冬季占(77.3±7.3)%，遠遠高于DOP的含量(秋季為(10.4±2.6)%，冬季為(22.7±7.3)%)。DIP的濃度范圍秋季在1.19～3.04 μmol/L，冬季在1.12～2.95 μmol/L，明顯高于陳水土等[19]在該區(qū)域的測定值，但與顏秀利等[18]報道的數(shù)值相近，說明九龍江口DIP的濃度比30年前有顯著的升高。DOP的濃度比DIP低得多，其濃度范圍秋季為0.15～0.30 μmol/L，冬季為0.05～1.06 μmol/L，與30年前的測定值相比變化不明顯[19]。

2.3 APA的時空分布

九龍江口表層水體TAPA的空間變化顯著(見圖3)，整體上呈現(xiàn)河口上游高、下游低的變化趨勢。秋季TAPA在85.5～755.4 nmol/(L·h)，最高值出現(xiàn)在河口上游的A5站，最低值出現(xiàn)在河口中游的A9站，在河口下游的JY1站有所升高。冬季TAPA在7.5～639.8 nmol/(L·h)，其分布模式與秋季基本相似，最高值也出現(xiàn)在A5站，最低值出現(xiàn)在河口下游的JY2站。從垂直分布(見圖4)來看，秋季除了A6站底層TAPA(876.5 nmol/(L·h))明顯高于表層(261.3 nmol/(L·h))外，其余站位相差不明顯；冬季4個站位表層TAPA均略高于底層，但總體上差異不顯著(P>0.05)。從季節(jié)變化看，秋季TAPA平均值為(339±242)nmol/(L·h)，冬季平均值為(259±194)nmol/(L·h)，秋季整體高于冬季，但差異不顯著(P>0.05)。

為了解AP的來源，分別測定了顆粒態(tài)(>0.45 μm)和溶解態(tài)(<0.45 μm)APA，結(jié)果見圖5。由圖5可見，秋季九龍江口水體中AP主要以顆粒態(tài)存在，PAPA對TAPA的貢獻率最小值為70.1%，最大值達到97.3%，平均為(84.9±9.5)%。冬季情況比較特殊，在河口的上游以PAPA為主，而在河口中下游則以DAPA為主，冬季整個河口PAPA的平均貢獻率為(54.1±26.4)%，DAPA的平均貢獻率為(45.9±26.4)%。秋季PAPA對TAPA的貢獻明顯高于冬季，可能主要是因為秋季九龍江口懸浮顆粒物SPM的濃度顯著高于冬季，且細菌豐度也顯著高于冬季(見表1)，使得附著在顆粒物上的細菌對TAPA的貢獻明顯高于冬季。

2.4 APA與環(huán)境因子的相關(guān)性

DAPA、PAPA與各環(huán)境因子間的斯皮爾曼相關(guān)性結(jié)果見表2。由表2可見，DAPA與DOP、DIP呈極顯著正相關(guān)，與鹽度呈極顯著負相關(guān)，與Chl-a正相關(guān)但不顯著，與SPM不相關(guān)；PAPA與DIP、SPM呈顯著正相關(guān)，與鹽度呈極顯著負相關(guān)，與Chl-a正相關(guān)但不顯著，與DOP不相關(guān)。綜上分析，DAPA和PAPA都與DIP呈極顯著正相關(guān)，可見DIP濃度升高并沒有抑制AP的合成。相反，由于DIP濃度升高刺激藻類和細菌的生長繁殖，反而導(dǎo)致合成更多的AP。由此可見，環(huán)境因子對DAPA、PAPA的影響不盡相同。如前所述，由細菌和藻類分泌的堿性磷酸酶有2種形式：一種是外向酶，它是一種與細胞膜結(jié)合的酶，即與酶的生產(chǎn)者保持緊密聯(lián)系[9]，常以顆粒態(tài)存在；另一種是釋放到周圍環(huán)境中胞外酶，它主要以溶解態(tài)存在。可見，PAPA主要反映的是外向酶的活性(雖然顆粒物的表面也可能吸附溶解態(tài)的酶)，因此與顆粒物SPM關(guān)系緊密。

表2 九龍江口PAPA、DAPA與環(huán)境參數(shù)的斯皮爾曼相關(guān)性Tab.2 Spearman correlation coefficient of PAPA and DAPA with environmental parameters in the Jiulong River Estuary

3 討論

3.1 九龍江口AP的來源

Bogé等[30]在研究水體中的磷對AP分泌的調(diào)控作用中指出，僅憑DIP的濃度高低來判斷抑制或促進AP分泌過于籠統(tǒng)，還應(yīng)考慮水體中DOP濃度的影響。越來越多的研究表明[31-33]，APA不僅與磷營養(yǎng)水平有關(guān)，還與有機碳、氮的供給有關(guān)，并受氮磷比值(N/P)的控制，在高N/P比值的水體中往往觀測到相應(yīng)高的APA。此外，一系列的培養(yǎng)實驗也證明，添加無機氮和有機氮能顯著影響細菌APA活性和DOP的降解[32]。九龍江口上游溶解無機氮濃度很高，枯水期其濃度超過300 μmol/L，且DIN/DIP比值高達100～150[18]，水體處于富營養(yǎng)水平，磷在富營養(yǎng)化水體中處于快速產(chǎn)生和快速消耗的循環(huán)狀態(tài)，需要大量的AP促進磷循環(huán)，這可能是導(dǎo)致九龍江口上游DAPA和PAPA異常高的原因。另外，九龍江口上游水體有機物含量高[34]，為細菌提供了豐富的碳源，從而促進了細菌分泌更多的AP來降解利用有機物。可見，在富營養(yǎng)水平的河口，底物DOP對AP的誘導(dǎo)作用比產(chǎn)物DIP的抑制作用可能更為重要。

由九龍江口APA與環(huán)境因子的相關(guān)性分析(見表2)還可以看出，PAPA與Chl-a呈不顯著正相關(guān)(r=0.284,P>0.05)，與SPM呈極顯著正相關(guān)(r=0.507,P<0.01)。說明，與浮游植物相比，附著在顆粒物上的微生物可能是PAPA更重要的貢獻者，這一推論可以從九龍江口相對較高的細菌豐度得到印證[28]。

3.2 AP與磷循環(huán)的關(guān)系

以前的研究普遍認為，河口磷的遷移轉(zhuǎn)化主要受控于懸浮/沉降顆粒物的吸附-解析過程，因此相關(guān)的研究也主要集中在礦物顆粒對DIP的吸附-解吸作用以及金屬氫氧化物還原過程中DIP的釋放[2-3,35]，而微生物礦化有機磷對河口DIP再生的潛在貢獻長期以來都沒有受到足夠的重視[9]。從DIP的分布(見圖2)可以看出，在九龍江口上游的A4～A5站存在DIP的明顯添加，顏秀利等[18]也曾報道九龍江口活性磷(即本文中的DIP)在中低鹽度區(qū)存在明顯的添加，并利用物質(zhì)收支模型估算出九龍江口DIP的添加量約占河流輸入總量的30%。河口DIP的添加可能受多種過程調(diào)控。首先，從河流到河口，隨著水體離子強度不斷增大，吸附在淡水顆粒物上的無機磷在淡水和海水的混合邊界不斷被解吸出來。文獻報道[3，36]，在吉倫德河口和塞納河口，這一過程主要發(fā)生在鹽度為5～15區(qū)域。然而，在九龍江口，SPM與DIP并沒有相關(guān)性(見表2)，這表明顆粒磷的解吸可能不是九龍江口DIP添加的主要過程。其次，由潮汐和河流徑流驅(qū)動的沉積物的再懸浮也可能刺激顆粒態(tài)磷的吸附-解吸過程，并可能誘導(dǎo)附著在懸浮沉積物上的細菌增強AP的合成[37]。此外，九龍江口DIP與DAPA呈現(xiàn)極顯著(P<0.01)的正相關(guān)關(guān)系(見表2)，說明微生物通過AP催化DOP礦化，可能對九龍江口DIP的添加有重要貢獻。

4 結(jié)論

1)九龍江口TAPA的空間分布特征表現(xiàn)為河口上游淡水端高，河口下游海水端低，表層水體略高于底層水體。TAPA季節(jié)變化規(guī)律表現(xiàn)為秋季高于冬季。

2)秋季AP主要以顆粒態(tài)存在，PAPA對TAPA的貢獻占絕對優(yōu)勢，冬季溶解態(tài)AP和顆粒態(tài)AP共存，PAPA和DAPA對TAPA的貢獻率相當(dāng)。

3)溶解態(tài)AP主要受DOP誘導(dǎo)而產(chǎn)生，并受河-海水混合影響，顆粒態(tài)AP除了來自浮游植物外，附著在顆粒物上的細菌可能是更重要的來源。

4)在DIP濃度顯著高于通常認為抑制AP合成閾值的九龍江口，AP的活性仍可以達到相當(dāng)高的水平。可以推測，在富營養(yǎng)水平的河口，底物DOP對AP的誘導(dǎo)作用比產(chǎn)物DIP的抑制作用可能更為重要，預(yù)示著有機磷的微生物礦化作用可能是河口DIP的重要來源。

致謝

感謝國家自然科學(xué)基金(41576085)、福建省自然科學(xué)基金(2019J01699)對本研究的支持。感謝福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點實驗室(廈門大學(xué))組織的九龍江河口-廈門灣共享航次提供的樣品采集的平臺。感謝廈門大學(xué)海洋監(jiān)測與信息服務(wù)中心提供論文分析所需的溫度、鹽度、葉綠素a、總懸浮顆粒物數(shù)據(jù)的整編和共享服務(wù)。