台风过程中太湖藻类富集区氨基酸的变化特征

2019-10-10刘颢杨梖高光蔡舰龚伊戴江玉汤祥明

生态环境学报 2019年8期

刘颢，杨梖，高光，蔡舰，龚伊，戴江玉，汤祥明*

1. 中国科学院南京地理与湖泊研究所/湖泊与环境国家重点实验室，江苏南京 210008；

2. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏南京 210014；

3. 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院/水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210029

氨基酸及其所组成的蛋白质类物质是水体中有机氮的重要存在形式，并且广泛存在于沉积物和水生生物体中（Münster，1993；蔡进功等，2019；梁小兵等，2001）。在浅水富营养化湖泊中，这些物质浓度、组成等易受水动力因素影响。由于沉积物表层结构松散，容易发生再悬浮，并与上覆水发生明显交换（段余杰等，2017），引起沉积物中保存的氨基酸及其所组成的蛋白质类物质的释放，使其从厌氧的沉积物中转移入好氧的水体上部（Li et al.，2007），从而发生一系列生物化学反应，改变了氨基酸甚至氮素的分布格局。而氨基酸具有明显的生物有效性（冯伟莹等，2013），作为易被生物利用的碳氮源，水体中氨基酸的分布格局可能对水生态系统产生影响（Wu et al.，2013；刘颢等，2017）。

太湖是典型的浅水富营养化湖泊，由于其平均水深只有1.9 m，沉积物更容易受到风浪等水动力的扰动而发生再悬浮（逄勇等，2008），继而发生物质的迁移和转化（李鑫，2012）。目前在浅水湖泊中的研究主要是围绕无机氮展开，对氨基酸的研究甚少，有文献研究在台风过程中，总氮以及无机氮浓度较台风来临前增加了0.5-4倍，同时观测到在台风过后发生了藻类复发的现象（Ding et al.，2012）。以近海为研究对象的氨基酸相关研究表明，颗粒态氨基酸（PAA）的浓度在台风期间明显增加（Thomas et al.，1990）。氨基酸作为太湖中氮素的重要赋存形式（Yao et al.，2012；姚昕等，2010），在水动力扰动过程中在沉积物和水相中浓度的再分配和组分的变化，及其对水体富营养化的影响尚无明确结论。因此，研究台风过程中藻类富集区水体和沉积物中氨基酸的变化特征十分必要。

本文通过研究台风“灿鸿”过境太湖水质及氨基酸的变化，探讨在强水动力扰动过程下，沉积物和水体中各种氨基酸的变化特征，N素的变化特征以及其与风速、风向的关系，为蓝藻水华的形成机制和湖泊富营养化治理提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验设置和样品采集

根据台风“灿鸿”过境太湖的时间及风速变化情况，本研究将台风过程划分为3个阶段：（1）前期（2015年7月9日13:00-7月10日08:00）；（2）台风期（2015年7月10日15:00-7月12日13:00）：即台风开始影响该区域到风速逐渐增加到最大的时间段；（3）后期（2015年7月12日19:00-7月14日13:00）：风速减小到8 m·s-1以下，包括后续观测到的一个蓝藻水华过程。风速数据来自太湖湖泊生态系统国家野外观测研究站栈桥自动风速记录仪。采样时间：在前期间采集水样3次，时间分别为7月9日13:00、17:00，7月10日08:00；台风期采样11次，时间从7月10日15:00起，每隔4 h采1次水样；后期采样4次，时间从7月12日19:00起，每隔12 h采1次水样。

采样点位：在位于太湖北部桥梁湾的太湖湖泊生态系统国家野外观测研究站栈桥设置A（31.418886°N，120.213276°E）、B（31.419083°N，120.213174°E）、C（31.419305°N，120.213835°E）3个采样点（图1），测定水深后采集水面下0.5 m和沉积物上0.5 m的水样各5 L（每个采样点采3个平行样），用于TN、NH4+-N、NO3--N、叶绿素a（Chl a）、悬浮物（SS）以及氨基酸（PAA和溶解态氨基酸DAA）分析。溶解态指标仅检测表层水体。

在采集水样的同时使用0.0625 m2彼得森采泥器采集C点附近10 cm表层沉积物50 g，用于TN及沉积物氨基酸（SAA）分析。

图1 太湖采样点设置 Fig. 1 Sampling sites in Lake Taihu

1.2 实验因子分析

TN、NH4+-N和Chl a的测定方法主要参照《水与废水监测分析方法》（第4版）相关要求。NO3-通过Skalar流动分析仪检测（杨靖民等，2014）。SS检测方法如下：50-400 mL水样经GF/F滤膜（550 ℃下处理4 h，称质量），收集滤膜并在105 ℃下烘4 h，至其恒质量，两次质量之差为SS（Ding et al.，2018）。

1.3 氨基酸分析

采集的水样经GF/F膜（膜预先经500 ℃ 4 h处理）过滤，记录过滤体积，将膜对折，包于铝箔中，-20 ℃下冷冻保存；另取25 mL上述用GF/F膜过滤后的水样置于洗净烘干的塑料瓶中，-20 ℃下冷冻保存，待分析。其中，滤膜上的为PAA，而塑料瓶中的水样用于测定DAA。

PAA含量分析：将滤膜置于真空冷冻干燥机中冻干后放入水解管中，用5 mL 6 mol·L-1HCl溶解，氮吹1 min，封瓶，在110 ℃下水解22 h（夏清艳等，2011）。水解结束后，打开水解管，吸取上层水解液离心，离心（8000 r·min-1）后取2 mL上清液置于旋转蒸发仪中蒸发至干，用1 mL样品稀释液（主要成分为盐酸、柠檬酸和氢氧化锂的缓冲液，pH=2.2）溶解，并用0.2 μm滤膜过滤，收集滤液装入2 mL离心管中，然后用氨基酸分析仪（Sykam S-433D）进行分析。

DAA含量分析：在冻干的塑料瓶中加5 mL 6 mol·L-1HCl，待水样融解后将全部液体转移入水解管中，并加入0.01 g抗坏血酸，氮吹1 min，封瓶，在110 ℃下水解22 h。冷却后打开水解管，将水解液中的液体完全取出，测量其体积并置于旋转蒸发仪中蒸发至干，用1 mL样品稀释液（pH=2.2）溶解，并用0.2 μm滤膜头过滤，收集滤液装于2 mL离心管中，然后用氨基酸分析仪（Sykam S-433D）进行分析（Chen et al.，2018）。

1.4 数据分析

实验数据通过Microsoft Excel 2016录入，数据分析及作图软件分别为SPSS 24.0和Origin 8.6。采用独立样本t检验分析不同组别之间是否存在显著性差异，P＜0.05视为差异显著；采用Pearson相关系数分析不同组别之间是否存在相关性。

2 结果

2.1 台风过程中风速风向的变化

台风“灿鸿”是2015年第9号台风，6月30日生成，7月13日停止编号（图2）。7月11日16:00以强台风级别登陆舟山朱家尖。台风影响中国科学院太湖湖泊生态系统研究站的时间大约为7月10日-14日。

图2 台风“灿鸿”路径图 Fig. 2 Image of Typhoon “Chan-Hom” track

在台风前期，平均风速约为3 m·s-1；随着台风的影响，7月10日15:00开始，风速逐渐变大，直至7月12日09:30风速加强到最大值，为16.6 m·s-1，随后迅速下降；7月12日13:00，风速减弱至8.5 m·s-1（图中右端虚线指示的时间）；12日19:00后，风速进一步减弱，进入后期；7月13日02:00后，平均风速已下降并稳定至2 m·s-1左右。另外，在台风后期发生了一起完整的蓝藻水华爆发事件，时间从7月13日07:00开始至此次观测结束（图3a）。整个台风过程大风期（风速大于8 m·s-1），风向位于WNW至NNE之间，主要为偏西北风；而在后期，主导风向为偏南风（图3b）。

2.2 台风过程中水体理化指标的变化

台风过程中TN质量浓度的变化见图4a。观测开始时，水体表层和底层TN质量浓度分别为2.23 mg·L-1和2.25 mg·L-1，表底两层无显著性差异。随着风力的加强，TN质量浓度明显上升。台风期结束时（7月12日13:00），表底两层TN质量浓度已分别达到4.60 mg·L-1和4.34 mg·L-1；进入台风后期，即从7月12日19:00开始，表底两层TN质量浓度有更大幅度上升，增速明显超过之前水体扰动时期。同时，表底两层差异显著（P＜0.05）。观测结束时，表底两层TN质量浓度已经分别达到14.7 mg·L-1和8.72 mg·L-1。

实验观测到Chl a质量浓度也随着风速的增大而增大（图4b）。观测开始时，水体表层和底层Chl a质量浓度分别为15.2 μg·L-1和11.3 μg·L-1，表层略高于底层。Chl a质量浓度在前期较稳定，变化量很小。随着风速的逐渐增大，Chl a质量浓度逐渐上升。但在7月11日19:00-23:00表底两层Chl a质量浓度均同时出现下降，幅度均超过30%，随后在8 h后迅速上升，在台风期结束时，Chl a质量浓度分别升至74.4 μg·L-1和68.3 μg·L-1。表底两层差异不明显。自7月12日19时开始，Chl a质量浓度增加极快，在观测结束时，Chl a质量浓度分别升至859.3 μg·L-1和539.7 μg·L-1，后期表底两层差异不显著。

同样地，SS随着风速的增大而增大（图4c）。前期，表层和底层SS质量浓度分别为16.4 mg·L-1和18.2 mg·L-1，表层略大于底层。从7月10日23:00开始，SS质量浓度有明显的上升。到7月12日13:00，SS质量浓度分别上升至220.9 mg·L-1和205.1 mg·L-1，表层和底层之间差异不显著。SS随着风速的降低而迅速减小（7月12日19:00，SS质量浓度仅有106.1 mg·L-1和102.6 mg·L-1）。随后的蓝藻水华期，SS质量浓度先增大后减小。观测结束时，SS质量浓度为167.9 mg·L-1和83.5 mg·L-1。后期表底两层SS质量浓度差异不显著。

观测过程中NH4+-N和NO3--N变化很不明显（图4d）。观测开始时，NH4+-N和NO3--N质量浓度分别为0.37 mg·L-1和1.29 mg·L-1。台风过程NO3--N质量浓度基本保持恒定，只有在蓝藻水华期有较大幅度的下降，在观测结束时，NO3--N质量浓度为0.91 mg·L-1。而NH4+-N质量浓度在观测全期均无明显变化，观测结束时为0.32 mg·L-1。

图3 台风过程中风速和风向的变化 Fig. 3 Variations of wind speed and direction during the hydrodynamic disturbance process

图4 台风过程中主要理化因子的变化 Fig. 4 Variations of main physical and chemical indicators during the hydrodynamic disturbance process

2.3 台风过程中氨基酸浓度的变化

2.3.1 沉积物氨基酸

观测开始时沉积物氨基酸背景浓度为86.9 mmol·kg-1，在7月11日03:00浓度持续下降，直至70.7 mmol·kg-1；随后在7月11日23:00逐渐上升至观前期水平，但浓度变化不甚稳定，最高达91.8 mmol·kg-1（图5a）。观测结束时，SAA浓度为82.9 mmol·kg-1。

2.3.2 溶解态氨基酸

在前期，DAA浓度为3.08 μmol·L-1，随着风速的增大并没有发生明显的变化（图5b）。整个台风期DAA的浓度在2.97-3.40 μmol·L-1之间波动。在后期，由于蓝藻水华的爆发，DAA浓度有了明显的上升。在7月13日07:00，DAA浓度迅速增加至7.36 μmol·L-1，之后一直保持在6-7 μmol·L-1之间。台风期DAA浓度与前期无显著差异。但是在后期，DAA浓度随着蓝藻水华的发生而呈现出剧烈的增长，与台风前期甚至是台风期差异显著（P＜0.05）。

2.3.3 颗粒态氨基酸

在观测开始时表层和底层PAA浓度分别为7.98 μmol·L-1和7.03 μmol·L-1（图5c）。在台风期，随着风速进一步增大，PAA浓度上升显著，分别增加至109 μmol·L-1和66 μmol·L-1（7月12日19:00）。台风期表底层的PAA浓度均没有显著差异。后期表底两层水体中PAA迅速增长并稳定在较高水平，表层PAA浓度维持在514.91-588.28 μmol·L-1，而表层PAA浓度维持在197.51-246.63 μmol·L-1。表层和底层PAA浓度比观测前分别增加了73倍和34倍，表底两层差异性显著（P＜0.05）。台风过程中PAA的变化与TN呈极显著相关（表层r=0.43，P=0.001；底层r=0.42，P=0.002）。

在台风过程中表底两层水体中N的形态变化基本相似，台风期水体中主要N形态为NO3--N，初期表底两层NO3--N含量均超过50%；其他氮形态（表层：15%-28%，底层：19%-28%）、NH3+-N（表层：8%-18%，底层：11%-16%）和PAA（表、底层：4%-6%）次之，DAA最少（表、底层：1%-3%）。随着风速的加大，表底两层NO3--N和NH3+-N含量均有所下降，而PAA上升。台风期结束后表层PAA含量为37%，取代NO3--N（29%）成为表层水体中N的主要形态，而底层NO3--N仍为底层水体中N的主要形态，仅稍大于PAA。至台风后期，由于蓝藻水华的出现，表底两层PAA百分含量进一步增大，表底两层分别增加到69%-75%和60%-71%，是剩余N的两倍以上，成为水体中最主要的N形态；同时NO3--N、NH3+-N、DAA和其他N含量均降低（图6）。

图5 台风过程中AA浓度的变化 Fig. 5 Variations of AA concentrations during the hydrodynamic disturbance process

2.4 台风过程中氨基酸组成的变化

选取了前期（7月9日13:00-10日08:00，共3次样品）、大风速时间点（7月11日23:00-12日13:00，共3次样品）和后期（7月13日07:00-14日13:00，共3次样品）进行，水体中DAA、表层PAA、底层PAA和SAA各组分浓度（图7）和百分含量（表1）分析，可以看出台风过程中DAA组成主要为甘氨酸（GLY）、丙氨酸（ALA）、天冬氨酸（ASP）和谷氨酸（GLU），其中GLY浓度最大，为0.64-0.95 μmol·L-1，比例为16%-21%；而PAA表层和底层组成基本相同，主要为GLU、ALA和ASP，3种氨基酸占比均在10%-12%，但在台风后期GLU的浓度和比重明显增加，从11%增加至19%；SAA主要组成同样是GLY、ALA和ASP。

除了SAA，其他相同类别的氨基酸在台风过程的不同阶段组成也有所差别。DAA中各组分氨基酸浓度在前期和台风期并无显著性差异，但在后期，除GLU外，其余氨基酸均显著高于前期（P＜0.05）；PAA中无论表层或底层，各组分氨基酸浓度在前期与台风期、后期均有极显著差异，显著高于前期（P＜0.01）。表底两层变化基本相同。

根据氨基酸降解特征，Ser/(Ser+Ala+Lys)值可表征水体中氨基酸来源。本次观测中，台风期PAA中Ser/(Ser+Ala+Lys)值变化不明显（表2），台风初期表、底两层分别为30.7%和30.4%，台风期逐渐升至33%和32.5%；后期进一步升高，分别达到36.7%和35.8%。后期仅有表层PAA较台风期有显著差异（P＜0.05）。

图6 台风过程水体中不同N素百分含量 Fig. 6 The percentage of different N forms during the progress of typhoon

图7 台风过程中AA各组分浓度的变化 Fig. 7 Variations of AA components during the hydrodynamic disturbance process

表1 台风过程氨基酸组成变化 Table 1 Varity of amino acids composition during the process of typhoon %

DAA在台风期Ser/(Ser+Ala+Lys)值为23.8%-31.1%，后期稍高（23.6%-33.3%），变化不明显；SAA中Ser/(Ser+Ala+Lys)值在台风全期低于其他3类氨基酸，且无明显变化规律。

3 讨论

3.1 台风期氨基酸的影响因素

水动力扰动是台风过境湖泊的主要特征之一。水动力扰动造成的太湖沉积物再悬浮可以引起水体中SS的显著增加（王同成，2007）。秦伯强等（2003）研究发现当太湖湖面风速超过6.5 m·s-1即可发生沉积物再悬浮，而观测地点受台风“灿鸿”影响，风速大于6.5 m·s-1的总时间长达29.5 h，所以台风“灿鸿”影响太湖近岸水体的沉积物再悬浮过程；更且，太湖沉积物中赋存了大量的氨基酸类物质（Yao et al.，2012），沉积物再悬浮致使大量PAA释放入水体，因而观测到PAA在台风期增长迅速，成为水体中含N化合物的主要成分。这也可能导致SAA浓度在当时大风速下因表层沉积物小分子PAA向水体的扩散而降低。但是，随着风速增大，较大颗粒及更深度的沉积物也开始再悬浮（Zheng et al.，2015），所以SAA浓度在风速进一步加大后开始回升。与PAA和SAA不同的是，DAA与NH4+-N和NO3--N一样，水动力扰动似乎对其无明显影响，与Ding et al.（2012）的研究结果一致。可能是由于表层沉积物结构松散，不能赋存大量的溶解态N（李鑫，2012），导致沉积物中的溶解态N含量较小（Zhao et al.，2015），同时，有研究表明太湖水体不存在着明显的溶解态N素的垂直分布（吴丰昌等，1996）。可以推测太湖作为浅水湖泊，非台风天气下沉积物间隙水与上覆水已经有明显频繁的物质交换，大量可溶性的氨基酸、NH4+-N等释放入水体。

台风期氨基酸主要组分与已有研究结果一致，以GLY、ALA、SER为主（Dotson et al.，2009；杨敬亭等，2017）。台风影响氨基酸组成的主要因素为外源（降雨）和内源（再悬浮有机物的矿化）（Mandalakis et al.，2011；Wood，1983；沈冰良等，2014；石金辉，2011）。一方面，太湖沉积物主要为藻源性沉积物，即没有矿化完全的藻类残体（冯伟莹等，2016），且矿化速率较慢（Nixdorf et al.，1997；刘新等，2016）。有研究表明，水体中高浓度NH4+-N条件下(0.115±0.056) mg·L-1，氨基酸氧化酶会受到抑制（Coudert et al.，1975；Georgieva et al.，2010），大部分表层沉积物矿化程度还比较小（杨春霞等，2009），因此氨基酸尚能以完整分子甚至是肽、蛋白质等大分子形式存在，没有进行进一步分解和转化。除此之外，在台风的强水力扰动下，微生物生命活动可能会受到明显的抑制（杨喆，2016；刘玉等，2017），不利于台风期间氨基酸发生分解和转化。另一方面，由于西北太平洋整体气象原因，台风“灿鸿”导致带来的降水比较少（江丽俐等，2016），无法造成较大规模的大气沉降和地表径流，外源对该区域水体中氨基酸主要组分的影响不大。

3.2 台风后期（水华期）氨基酸的影响因素

在台风后期（也可称之为水华期），水体中可见大量蓝藻水华，高浓度的Chl-a是水华的重要指征（图4b）。高生物量的蓝藻水华，除了本地生长的以外，可能更多地来自风生浪的水平迁移堆积。因为此次水华现象持续时间很短，根据太湖蓝藻生长速率（0.19-0.37 d-1）计算在短时间内很难达到蓝藻爆发的水平（吴晓东等，2008），且观测过程中水体中NH3+-N等营养盐水平较低，难以维持水华期间蓝藻的长期生长（周涛等，2013）；而蓝藻斑块的这种水平迁移可能是影响台风后期水体中氨基酸浓度和组成的主要因素。而有研究表明，太湖水体中蓝藻群体可以在定向风场作用下往下风向湖湾迁移、积聚（Deng et al.，2016；Liu et al.，2012；Wu et al.，2010）。而本次观测台风“灿鸿”在后期带来的偏南风可以将蓝藻从太湖湖心迁移入研究水域。观测中Chl-a和PAA浓度均有升高，而SS有减弱的趋势，极有可能是由于迁移（富集）来的蓝藻对水体中PAA的贡献占很大一部分。相对于PAA，由于没有强水动力扰动，沉积物SAA的浓度一直保持较高水平；另外，藻型湖区水体中DAA主要通过PAA分解产生（刘颢等，2017），间接受到蓝藻斑块的水平迁移影响，浓度稍有升高。但因为快速、高效的生物吸收，水体中DAA很少累积到高浓度（Ricão et al.，2016；Schweitzer et al.，2001）。

台风后期表层水体扰动性较弱，再悬浮无机颗粒物比重较大逐渐沉降，而蓝藻细胞集聚、上浮（Garrett，1965；夏清艳，2011），成为氨基酸重要来源。有研究认为水体中氨基酸的组成可以反映水体中有机质降解的状态，在降解程度高的水域，GLY、SER、THE等氨基酸比重上升而PHE、GLU、TYR、LEU、ILE等氨基酸比重下降（Dauwe et al.，1998）。一般认为，浮游植物繁盛的水域有机质降解程度低于沉积物（刘宗广等，2013）。而对于本次观测，在台风后期水体中PAA组成相对于台风期，其组成变化与Dauwe的结果更为接近。除此之外，有研究表明Ser/(Ser+Ala+Lys)值可以用来表征氨基酸的来源（刘丹等，2015），观测中表层PAA的值在台风前后期有明显的差异性。综上，可以认为在台风后期水体中PAA还受到蓝藻水华的明显影响。但是对于DAA，其自身结构的差异对自身分解或被生物直接利用的能力的影响相对更大，例如GLY和ALA性质更稳定，不利于被浮游植物吸收（Cowie et al.，1992；Dauwe et al.，1998），导致DAA中氨基酸组分与PAA和SAA均不相同。