西太平洋海域现场培养实验中挥发性卤代烃浓度的变化及其影响因素

韩钰，何真，刘珊珊，高旭旭，杨桂朋,3*

( 1. 中国海洋大学 化学化工学院，山东 青岛 266100；2. 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋生态与环境科学功能实验室，山东 青岛 266237)

1 引言

挥发性卤代烃（Volatile Halogenated Hydrocarbons,VHCs）是大气中一种重要的痕量气体，可以破坏臭氧层，并且可以吸收红外辐射，产生温室效应[1]。海洋中的VHCs 不仅对海洋生态系统有重要的影响，还会通过海−气界面释放到大气中，改变全球气候环境[2]，VHCs 的研究已成为国内外学者研究的热点。

VHCs 的主要天然来源是海洋[3]。研究发现，海洋中浮游植物释放是VHCs 的重要来源[4]。Carpenter等[5]研究表明浮游植物产生的溴仿约占世界含量全球释放量的70%。Scarratt 和Moore[6]研究发现产生CH3Br 和CH3Cl 的主要途径是通过浮游植物的释放。此外，在海洋表层水中，一些VHCs 是通过光化学作用产生[7]。由于人类活动的加剧，化石燃料的燃烧，导致大气中CO2的浓度不断升高[8]，促使海水吸收CO2的含量增加，引起海洋酸化，且海水酸化作为影响海洋生态系统的重要因素之一，对海洋生物产生深远影响[9]。Webb 等[7]研究表明，海洋酸化会促进浮游植物对CH3I 和CHCl3的释放，然而Hopkins 等[10]却发现了不同的结果，认为酸化使CH3I 含量下降。营养盐作为藻类暴发水华的主要因素之一，影响着藻类的生长发育，已有文献表明微量元素Fe 的含量对藻类吸收营养盐的利用有着很大的影响[11]，因此关于营养盐和微量元素Fe 耦合作用的研究有着十分重要的作用，并且铁作为浮游植物生长的必要元素，在浮游植物某些重要代谢过程中如光合作用、呼吸作用以及固氮作用等起到不可忽视的作用[12]，与此同时，微量元素Fe 影响浮游植物新陈代谢，叶绿素的含量也受到微量元素Fe 的调控[13]。文献报道，铁元素的加入促进浮游植物对CH3I 和CH3Cl 的释放，但影响程度不大[14]。沙尘沉降为海洋中浮游植物提供N、P、Fe 等营养元素，促进其生长，因此沙尘也是导致海藻暴发的主要因素之一[15]。目前关于营养盐、微量元素Fe 和酸化之间耦合作用对浮游植物生长及其释放VHCs 的研究报道还较少，本文通过现场培养实验，研究海洋酸化、营养盐、微量元素和沙尘对浮游植物释放CH3I、CHCl3、C2HCl3和CH2Br2的影响，为估算海洋生物释放VHCs 的比例提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 培养实验

甲板培养实验于2018 年10 月11 日至11 月2 日在“科学”号船上完成，取E130-4 站位（21°N，130°E）表层海水进行培养，海水用200 μm 筛绢过滤。培养装置为20 L 的聚丙烯培养桶（Nalgene，美国），实验设计为对照组（M1）和添加实验组（M2、M3、M4、M5 和M6）。实验组添加物质如表1 所示，进行甲板培养，使用现场海水控温培养。实验中，将高纯CO2气体通入海水中，制得饱和CO2海水，利用饱和CO2海水进行pH 调节，具体方法见文献[16]；利用气溶胶采样器在花鸟岛采集沙尘气溶胶样品，处理方式见文献[17]，采样后称重密封于灭菌容器中，于−20℃冷冻保存、备用。

2.2 样品的采集与分析

2.2.1 VHCs 样品的采集与分析

实验中VHCs 样品为隔天取样，取样时间为9:00。利用一次性注射器取培养水，冲洗135 mL 棕色玻璃瓶及聚四氟乙烯盖子3 次，将注射器顶端插到瓶底，控制流速让培养水注入，注意速度要快但不能产生气泡和较大旋涡，当水装满且溢出瓶体积一半时，加入1～2 滴NaN3抑制剂来抑制瓶内生物的生长繁殖，用瓶盖器将瓶盖压紧，保证不顶空，待返回陆地实验室后测定，海水样品保存方法的准确性和可靠性实验表明样品浓度30 d 内不发生明显变化[18]。

对于地表覆盖分类数据的更新，通常利用本年度符合时相要求的最新影像资料，与往期影像进行对比发现变化，必要时应结合外业核查，对种植土地、林草覆盖、房屋建筑（区）、道路、构筑物、人工堆掘地、荒漠与裸露地表和水体等内容进行监测更新。在成果数据中经常会出现以下几类质量问题。

本实验测定营养盐利用Seal Analytical AA3 营养盐自动分析仪（德国）进行。具体实验方法见文献[19]。

2.2.2 营养盐的分析

这些丰富的比赛不仅能锻炼学生的胆量，而且能提高学生的学习兴趣，在玩乐中提高朗读水平，在阅读中加大识字量，提高书写质量。

本实验测定VHCs 的方法是利用吹扫−捕集法进行预浓缩，然后利用安捷伦6890 气相色谱进行测定。用气密性注射器准确取100 mL 的样品于吹扫−捕集的气提室（恒温40℃）中，用高纯氮吹扫12 min，吹扫出的物质经过填有无水高氯酸镁和氢氧化钠的干燥管后，并利用液氮（−190℃）冷阱捕集12 min，然后再利用沸水解吸2 min，最后进入气相色谱中进行分析。利用外标法进行定量分析，表明该方法的检出限为0.01×10−12～0.22×10−12mol/L，相对标准偏差为1.83%～3.97%。具体分析方法见文献[18]。

本实验测定叶绿素a 利用10 mL 90%的丙酮溶液在低温避光下萃取滤膜24 h，在4 000 r/min 转速下离心10 min，取上清液使用F-4500 分子荧光光度计（Hitachi，日本）进行测定[20]，测定过程中的激发波长为436 nm，发射波长为670 nm。

氮、磷和微量元素Fe 的添加，不仅影响浮游植物初级生产力，并且使浮游植物释放VHCs 的浓度发生变化。本实验添加高浓度微量元素Fe（50 nmol/L），导致CH3I 的浓度明显降低。文献曾报道，低浓度铁有利于浮游植物对CH3I 的释放[30]。由图1 可知，与M2 号培养桶相比，M5 号培养桶内对营养盐的吸收明显，由此推测培养前期CH3I 和C2HCl3出现高值（图3a，c），可能与浮游植物吸收利用营养盐有关。由图3 可知，微量元素Fe 和N/P（16∶1）添加的培养桶中CH3I、C2HCl3和CH2Br2的浓度大于仅添加微量元素Fe 的培养桶（M5 号高于M2 号），但M5 号培养桶中叶绿素a 的浓度与M 2 号培养桶相当（图2），表明营养盐的添加使浮游植物的种群结构发生改变[23]，进而导致其VHCs 的差异。由文献[32]可知，营养盐添加量较低时，主要优势藻种为米氏凯伦藻、东海原甲藻和中肋骨条藻，随添加量升高，其优势藻种变为东海原甲藻，由此可见，与M2 号培养桶相比，M5 号培养桶中营养盐的添加导致水中优势藻种的改变，进而导致VHCs 释放量的改变。

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3 结果分析

3.1 营养盐浓度的变化

M2 和M5 号培养桶内CH3I、C2HCl3和CH2Br2浓度低于对照组，其中CH2Br2浓度降低最为明显，CHCl3的浓度相对升高（图3），实验结果与丁琼瑶[30]研究黄、东海藻类释放VHCs 结果相似，微量元素Fe 加富会影响VHCs 净释放量。由图3 可知，实验组（M2 和M5）中4 种VHCs 的浓度均在培养第12 天前后出现高值，而对照组（M1）却出现低值。M2 号培养桶在培养前期和后期CHCl3的浓度均出现高值，且培养前期M2 和M5 号培养桶CHCl3的释放趋势相似，培养第5 天M2 号培养桶中CHCl3浓度达到峰值，但M5 号培养桶中CHCl3浓度下降（图3b）。通过比较图2 发现，在相应培养期间内，M5 号培养桶中叶绿素a 浓度并没有呈现相应的低值，这说明叶绿素a 的浓度可能不是VHCs 浓度变化的一个限制性因子，VHCs 浓度变化可能还受到微量元素、营养盐等其他因素共同作用的影响[4]。

除M5 号培养桶外，对照组和实验组PO4-P 的浓度都较低，并且没有较为明显消耗速率的改变（图1b）。在培养前期，M5 号中PO4-P 浓度值较高，初始浓度最高可达0.69 μmol/L，随后消耗率几乎呈直线下降，可达97.3%，此趋势是对孙萍[24]研究浮游植物对营养盐响应这一结论的验证，原因可能由于M5 培养桶中加入了N/P 为16∶1 的营养盐，故PO4-P 初始浓度值较高，但很快PO4-P 被浮游植物消耗利用，呈直线下降趋势。

表 1 实验组和对照组添加物浓度及pHTable 1 Concentrations of additives added to M2 to M6, the condition of M1, and pH

3.2 叶绿素a 浓度的变化

由图4 可知，与对照组相比，M3 和M4 号培养桶中浮游植物对CH3I、C2HCl3和CH2Br2的释放呈现不同程度的抑制作用，其中对CH2Br2的抑制作用较为明显，抑制率分别为76.9%和64.3%，这与Hopkins 等[31]研究结果类似，酸化导致CH2Br2净含量下降。而M3 和M4 号培养桶中浮游植物对CHCl3的释放呈现促进作用，且藻类释放CHCl3的浓度远远高于CH3I、C2HCl3和CH2Br2。通过比较图3 和图4 可知，实验组（M2～M5）CHCl3浓度变化趋势相似，且峰值出现时间相同，即M2 和M3 号培养桶在培养第5 天和第12 天达到高峰与次高峰，M4 和M5 号培养桶在培养第3 天、第7 天和第12 天出现峰值。由图2 和图3可知，在M4 号培养桶中，CH3I 和CH2Br2的浓度在指数生长期达到峰值，且M3 号培养桶内VHCs 与叶绿素a 的浓度变化趋势不一致，表明生物量的变化不能简单反映VHCs 净释放量的改变。

3.3 VHCs 在微量元素Fe、微量元素Fe 和N/P（16∶1）耦合作用条件下浓度的变化

西太平洋属寡营养盐海域，除M6 组外，其他实验组和对照组NO3-N 的浓度均较低（图1a），此结果与衣晓燕等[21]研究结果一致，因沙尘含有较高浓度的N、P 营养物质和Fe 等痕量金属元素[22]，故沙尘的加入使无机氮含量上升明显[21]。M5 培养桶在培养前期出现高值，随后浓度开始降低，通过比较可知，富铁和N/P（16∶1）协同作用的条件下，浮游植物不断吸收利用NO3-N，这与侯继灵[23]的实验结果相似。

3.4 VHCs 在酸化、酸化和微量元素Fe 耦合作用条件下浓度的变化

图 1 对照组（M1）及实验组（M2～M6）培养桶中营养盐浓度变化Fig. 1 Variations in the concentrations of NO3-N and PO4-P in control group (M1) and experimental groups (M2−M6)

图 2 对照组（M1）及实验组（M2～M6）培养桶中叶绿素a 浓度变化Fig. 2 Variations in the concentrations of Chl a in control group (M1) and experimental groups (M2−M6)

实验组叶绿素a 的浓度均高于对照组，且在9～13 d出现峰值（图2）。实验结果表明，M3 和M4 号实验组中叶绿素a 浓度均较高，且M4 号高于M3 号，这与栾学泉与苏忠亮[25]的海洋藻类对海洋酸化响应的研究结果一致。原因可能是海水pH 降低，为海洋浮游植物进行光合作用提供了充足碳源，且CO2浓度升高，提高了CO2与O2的比值，从而抑制了光呼吸作用，减小了能量的消耗[26]，从而促进了浮游植物的生长。微量元素Fe 是影响海洋浮游植物光合作用的重要因素之一[27]，其通过光合系统和电子传递系统来对叶绿素的合成和光合作用产生影响[28]，故微量元素Fe 的加富促进了浮游植物的生长繁殖。这也是实验组M2和M5 培养桶中叶绿素a 浓度高于对照组的原因。此外，由图2 可知，M2 和M5 号培养桶叶绿素a 含量相近，说明微量元素Fe 加富时，营养盐的添加未能显著促进浮游植物生长，推测这与生物体代谢等因素有关。沙尘的添加（M6）使得叶绿素a 浓度明显升高（图2），这与Tan 等[29]研究结果一致，表明沙尘可以促进浮游植物的生长繁殖[15]，我们的结果进一步表明沙尘是控制浮游植物生长的重要因素。

3.5 沙尘对浮游植物释放VHCs 的影响

沙尘的添加对浮游植物释放CH3I、CHCl3、C2HCl3和CH2Br2均呈现不同程度的抑制作用（图5），其中对CH2Br2的抑制作用最为明显（抑制率为72.9%），而对C2HCl3的抑制作用最弱（抑制率为37.6%），与其他实验组（M2～M5）相比，沙尘的添加（M6）使CHCl3浓度明显降低，其最大值为3.0×104pmol/L，较其他实验组降低约83.6%，且M6 号培养桶中CH3I、CHCl3和C2HCl3的浓度在培养后期均出现高值。由图5 可知，沙尘添加组（M6）中CH3I 的变化趋势与对照组（M1）相似，而CH3I、CHCl3和CH2Br2在培养前期（第5 天）均出现升高的趋势，比较图2 发现，在相应时期内，浮游植物进入指数生长期，且实验组（M6）VHCs的浓度在浮游植物生长指数期和稳定期出现峰值，推测VHCs 浓度的变化可能与浮游植物生长有关。

4 讨论

4.1 微量元素Fe 和营养盐的交互作用对浮游植物释放VHCs 的影响

图 3 对照组（M1），Fe 添加组（M2）及Fe 和N/P（16∶1）添加组（M5）培养桶内CH3I （a）、 CHCl3 （b）、 C2HCl3 （c）和CH2Br2 （d）浓度变化Fig. 3 Variations in the concentrations of CH3I （a）, CHCl3 （b）, C2HCl3 （c） and CH2Br2 （d） in control group (M1), Fe addition group(M2) and Fe and N/P (16∶1) addition group (M5)

2.2.3 叶绿素a 的分析

4.2 酸化和微量元素Fe 的交互作用对浮游植物释放VHCs 的影响

自19 世纪80 年代以来，大气中CO2浓度不断升高，30%由人为产生的CO2被海洋吸收[33]，使海水中H+浓度增加，CaCO3饱和度降低，有研究推测[34]，微量元素Fe 的加富会一定程度中和大气中的CO2，改变浮游植物生长环境，这会影响浮游植物对VHCs 的净释放。通过文献比较[7,10]，酸化对浮游植物产生VHCs的研究结果并不一致，可能是受到实验规模、种群结构的组成及实验周期等因素的影响。本实验发现，酸化和微量元素Fe 共同作用的培养桶（M4）中CH3I、C2HCl3和CH2Br2的净释放量略高于仅酸化的培养桶（M3），推测微量元素Fe 的加富，不仅使光能转化效率提高[27]，改变海水中生物群落结构，而且浮游植物对环境的变化存在生理反馈[4]，酸化和微量元素Fe 影响浮游植物对VHCs 的产生机制，从而影响VHCs 的含量。由图4d 可知，酸化、酸化和微量元素Fe 耦合作用均明显抑制浮游植物对CH2Br2的释放，推测CH2Br2浓度的降低不仅仅受酸化的影响，还受到细菌等其他因素的降解作用[35]。实验组（M2～M5）CHCl3浓度变化趋势及出现峰值时间相似（图3b，图4b），可能是实验组（M2～M5）环境的改变影响浮游植物细胞内亲核取代反应产生CHCl3的时间相近。

进一步完善军民融合发展的法规体系。从国家层面应尽快颁布“军民融合促进法”，并结合已经颁布的《中华人民共和国国防法》《中华人民共和国国防动员法》，制订完善促进各动员领域军民融合发展的专项法规，加快“国防勤务法”“民用资源征用法”“国民经济动员法”“信息动员条例”“装备动员条例”等立法进程，推进《中华人民共和国国防教育法》《中华人民共和国人民防空法》修订工作；在企业法、金融法、基本建设法、交通法、投资法、物权法等法律法规中，补充民营企业参与国防建设、经济建设贯彻国防要求等条款，增强法律法规的执行力和可操作性。

4.3 沙尘对浮游植物释放VHCs 的影响

图 4 对照组（M1），酸化组（M3）及Fe 和酸化组（M4）培养桶内CH3I （a）、 CHCl3 （b）、 C2HCl3 （c）和CH2Br2 （d）浓度变化Fig. 4 Variations in the concentrations of CH3I （a）, CHCl3 （b）, C2HCl3 （c） and CH2Br2 （d） in control group (M1), acidification group(M3) and Fe and acidification group (M4)

因沙尘中含有大量的营养元素，所以沙尘的添加对初级生产力和VHCs 的释放存在不可忽略的影响。研究表明，受人为活动影响较小的西北太平洋，营养盐的输入主要来自大气沉降[36]，而浮游植物产生VHCs 的途径分为两种，其中一种是单卤化物通过浮游植物细胞内甲基转移酶甲基化产生[37]，另一种则是多卤化物通过酶卤化反应产生[38]，由图5 可知，沙尘的加入抑制浮游植物对VHCs 的释放，推测可能与产生途径受到影响有关，进而影响VHCs 的净释放量。沙尘的添加使海水中氮的浓度上升（图1a），而这并没有在VHCs 的产生中得到类似的增量，推测含氮量较高时，浮游植物生理代谢发生变化，N 的富集抑制了浮游植物的固碳作用，这可能导致浮游植物对VHCs 的释放量降低。在培养后期（第12 天前后），实验组（M2～M6）4 种VHCs 的浓度均存在升高趋势，对照组（M1）存在低谷，推测随着浮游植物的生长和VHCs 气体的产生，培养环境发生改变（如压力升高、营养物质浓度降低等），使浮游植物细胞内产生某种应力效应或防御机制[39]，这可能导致实验组和对照组VHCs 的浓度在培养第12 天存在相反的变化，而沙尘对浮游植物释放VHCs 的作用机制仍需进一步研究。

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（3）根据国内通用富硒标准对重点区进行了硒含量评价，划分出了富硒土壤区，其中高硒区域主要分布在新关镇、新铺乡与易家渡镇等乡镇。

图 5 对照组（M1），沙尘添加组（M6）培养桶内CH3I （a）、 CHCl3 （b）、 C2HCl3 （c）和CH2Br2 （d）浓度变化Fig. 5 Variations in the concentrations of CH3I （a）, CHCl3 （b）, C2HCl3 （c） and CH2Br2 （d） in control group (M1) and dust addition group (M6)

5 结论

本文通过船基现场培养实验研究了微量元素Fe（50 nmol/L）、酸化（pH=7.9）、酸化（pH=7.9）和微量元素Fe (50 nmol/L)耦合作用、微量元素Fe（50 nmol/L）和N/P（16∶1）耦合作用及沙尘(4 mg/L)对浮游植物释放CH3I、CHCl3、C2HCl3和CH2Br2浓度的影响，结果表明微量元素Fe、微量元素Fe 和酸化耦合作用以及微量元素Fe 和N/P（16∶1）耦合作用的条件，均对浮游植物释放CH3I、C2HCl3和CH2Br2呈现不同程度的抑制作用，对CHCl3的释放呈现促进作用；沙尘的添加对VHCs 的4 种成分释放呈现不同程度的抑制作用。沙尘条件下氮类营养盐（NO3-N）浓度较高；微量元素Fe 和N/P（16∶1）耦合作用条件下PO4-P 浓度较高。5 个不同的实验条件下叶绿素浓度均较高，其中以沙尘以及微量元素Fe 和酸化耦合作用的条件最为明显。