第四章海洋磷循環(huán)-2

1、海洋中磷的測定方法海水中的磷酸鹽的測定方法：基本原理: 磷鉬黃磷鉬藍7PO43- + 21NH4 + + 12 Mo7O246- + 72 H+ = 7(NH4)3PMo12O40 +36 H2O磷鉬黃 在酒石酸銻鉀存在下，磷鉬酸中的一部分Mo6+離子被 抗壞血酸還原成Mo5+ ,生成叫做“鉬藍”的物質，也就是磷鉬黃被還原成磷鉬藍，在885nm下進行比色測定。(NH4)3PMo12O40H3PO42Mo2O5H3PO410MoO3 2Mo2O5主要干擾元素： Si, Fe及微量的As, Cr, Nb等。消除干擾方法：除Si: 控制適當酸度。磷鉬雜多酸與硅鉬雜多酸生成的酸度不同，磷鉬雜多酸生成的

2、酸度較高，在控制較高的酸度下，加入鉬酸銨后立即加入還原劑可避免硅鉬藍生成。除Fe： Fe的存在會消耗大量抗壞血酸，通常可以加氟化鈉使其和成穩(wěn)定的FeF63-絡離子，抑制與抗壞血酸的反應，海水中Fe很少，加酒石酸銻鉀也能掩蔽Si和Fe的干擾。除微量的As, Cr, Nb：加入酒石酸銻鉀和氟化鈉可消除干擾，由于海水中較少，所以一般不加氟化鈉。方法名稱檢測范圍（mol/L)精密度(%)文獻磷鉬藍法（M-R)0.0228215Denies(1920);Mruphy and Riley (1962)； Srickland and Parsons(1972);Broberg and Petterson (

3、1988)有機溶劑萃取法0.0020.81Reenfield and Kalber(1955); Stephen(1963); Paul et al(1960);Strickland and Parsons(1972)氫氧化鎂共沉淀Mg(OH)2(MAGIC)2.813Karl and Tien(1992); Thomson-Bulldis and Karl (1998)流動注射法（FIA)0.031.513Korenaga and Sun (1996); Perez-Ri et al(2001)毛細電泳法0.51003Himeno(2002)電化學法-Stevens(1979)色譜法-Gla

4、zier & Arnold （1988酵素分析法-Haddad and Jackson (1990)熒光分析法0.11113Tomas Perez-Ruiz(2001)導數(shù)分光光度法013312王尊本（1991）磷鉬酸-孔雀-PVA體系分光光度法-Hashitani et al.(1987)水體中幾種磷的測定方法流動注射分析1 . P r e c is io n 1 .5 % a t 3 M2 . D e te c tio n L im it 0 .0 5 M3 . 9 0 s a m p le s p e r h o u r P u m p5 0oCS W I VM ix e dR e a

5、g e n ts DA s c o r b ic A c idI V I n je c tio n V a lv eD D e te c to r (8 8 5 n m )( J o h n s o n a n d P e tty , A n a l. C h e m ., 5 4 , 1 1 8 5 , 1 9 8 2 )水體中磷的賦存形式歸納起來水體中磷的賦存形式包括6種形式：SRP,DAHP,DOP,TDP,PIP,POPTP,DTP中均含有機磷，需要進行測定前處理，將其氧化分解成無機磷酸鹽，然后測定，通常采用高溫氧化或加入強氧化劑進行氧化消解。如過氯酸鉀消化氧化法，過硫酸鉀消化氧化法，

6、UV照射法。水體中的不同形態(tài)磷的分析方法水體中的不同形態(tài)磷的分析方法 （續(xù)） 近年來，發(fā)現(xiàn)浮游植物不僅可以直接利用無機磷，還可吸收部分有機磷，揭示了有機磷對海洋生態(tài)系統(tǒng)可能起到一個關鍵的營養(yǎng)補給的作用，從而促進了有機磷的形態(tài)細分研究!隨著核磁共振( NMR) 等現(xiàn)代儀器分析技術的應用，成功地建立了較為可靠的 DOP 分析新方法，分離并測定了海洋 環(huán) 境 中 有 機 磷 的 單 體 形 態(tài)，如 磷 酸 單 酯( Phosphomonoester), 核苷磷酸鹽( P-nucleosides) ,多 聚 磷 酸 鹽 ( Polyphosphates ) , 偏 磷 酸 鹽(Metaphosphat

7、e), 膦酸酯( Phosphonate) 等，可望成為探索有機磷生物地球化學的重要研究方向。沉積物中磷的分析方法： 沉積物中的磷根據(jù)不同的提取方法分成幾種形態(tài)，提取出的磷轉化成可溶解態(tài)無機磷，然后按溶解無機磷的測定方法進行測定。沉積物中磷的連續(xù)分級提取方法沉積物中磷的連續(xù)分級提取方法（續(xù)） 綜觀水環(huán)境中生源要素磷的賦存形態(tài)及其分析方法研究進展，建立水體及其沉積物中痕量、超痕量不同形態(tài)磷( 尤其是有機磷的單形態(tài)) 的創(chuàng)新分析方法，沉積物中各形態(tài)磷的專屬性提取劑及其提取有效性的分子表征與檢測，同時結合宏觀與微觀尺度上的生源要素磷生物地質學和不同形態(tài)磷的遷移“循環(huán)與轉化”的理論模擬等方面將是未來的

8、重要前沿研究領域，這對于探索全球磷循環(huán)，揭示生態(tài)環(huán)境演化具有重要的科學意義。海洋中磷限制問題 歷史上對海洋系統(tǒng)中磷酸鹽的研究相對氮的研究要少，因為磷酸鹽一直不被認為會成為典型的限制營養(yǎng)鹽。雖然越來越多的水域被認為存在磷的限制，但大部分海洋系統(tǒng)中常常出現(xiàn)的是硝酸鹽限制，鐵限制。最近的研究表明整個海洋生態(tài)系統(tǒng)可能是硝酸鹽限制的，但系統(tǒng)內的部分區(qū)域存在著磷限制。另外人類活動的影響，使大量超過Redfield N/P比值的營養(yǎng)鹽輸入到海洋，從而使部分系統(tǒng)磷限制越來越嚴重。磷與海洋初級生產 1934年研究者發(fā)現(xiàn)在深海中海洋有機物和溶解營養(yǎng)鹽濃度的C/N/P的元素組成驚人的相似。這就使他們 假設浮游生物具

9、有相對固定的C/N/P的元素比值。這個比值就是著名的Redfield比值。Alfred Redfield 是第一個發(fā)現(xiàn)的。這個比值經受住了時間的檢驗，而且在所有的大洋盆地均重復出現(xiàn)。這個比值 的普遍存在使人們意識到自養(yǎng)生物是按這個比例吸收氮和磷的，并且死亡分解雙將這些元素釋放回海水中。 Redfield 指了浮游生物的N/P比值的平均值 （16）與深海中的比值（15）相似，并非是一種巧合或浮游生物適應海洋中的計量比值，而是浮游植物調整成海洋的N/P比值以適應固氮的需要。 海洋中磷的濃度并不是由河流的輸入與沉積物埋葬輸出比例來設定的，而是因藍細菌固氮的無機氮濃度而調整N/P比值的。因此當?shù)蔀橄?/p>

10、制初級生產的元素時，氮固定生物會為生態(tài)系統(tǒng)提供無機氮，在地質時間尺度上，磷限制著海洋生態(tài)系統(tǒng)的生產力。 象藍細菌這樣的固氮生物在氮固定過程中需要大量鐵，而在大洋寡營養(yǎng)區(qū)域，鐵的輸入很少，氮固定受到鐵的限制， 進而使世界大洋中仍保持著氮限制情況。而固氮生物可能受到磷限制，再加上鐵限制，因而在一些大洋區(qū)域磷的可利用性可能限制著氮的固定。 Redfield比值并非是所有海洋生物的最適比值，這只是一個不同物種N/P比值（8.245）的平均值，不同物種的N/P比值會隨著它的生態(tài)條件而變化的。更進一步地講，Redfield比值的變動事實上是響應于藻類營養(yǎng)水平、分類關系、是否磷吸附在生物體表面還是進行細胞內

11、等。 北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)ALOHA站9年觀測結果顯示水體中的氮和磷的貯池存在復雜的相互作用，表明目前該區(qū)浮游生物生長速率處于凈氮固定隱退而磷控制的時期。從長時間尺度和大范圍來講，在開放海洋環(huán)境是氮限制還是磷限制主要取決于氮固定和反硝化的平衡情況。目前的磷限制，在缺乏氮固定情況下可以轉化成氮限制。 同樣的，在大西洋的觀測也表明大西洋海盆中存在磷的限制或者共同限制，在過去的50多年里北半球海洋海水的N/P比值存在時間的波動變化，這也表明海洋碳循環(huán)的生物部分是處于不穩(wěn)定狀態(tài)。但人們必須意識到顆粒物質藻細胞所測得的N/P比值會受到磷在表面吸附和進入細胞內的磷量分配的影響。藻細胞總的C/N/P比值的結

12、果會顯現(xiàn)出Redfield 比值，但細胞內部則高于Redfield比值。 一些pico級的浮游植物會在低磷濃度下生存，如原綠球藻(Prochlorococcus),巨球藻（Synechococcus),因而由它們產生的有機物質的元素比例會與Redfield比值不同。 上面的觀測結果在實際應用時一定要將適當?shù)卦u估浮游植物營養(yǎng)狀態(tài)水平，了解浮游植物的營養(yǎng)需求以及測定各種浮游植物磷貯池進行綜合考慮。理想狀況下，還可以結合限制方面的遺傳和生理學方面的測定。有機磷形態(tài)的利用 在海洋中大多數(shù)情況下有機磷不能被活體生物所直接利用，因為有機磷不能被細胞直接吸收。有機磷 需要轉化成正磷鹽后才能被生物吸收利用。為

13、了響應磷限制，有些浮游植物種類會產生酶以催化有機物水解分裂釋放出磷酸鹽。 象堿性磷酸酶就可以在磷限制情況下大量產生，以分解有機磷。此外細胞分解還會釋放了專屬酶，如磷酸單酯酶、磷酸二酯酶、核酸酶、核酣酸酶等，以分解專屬的有機磷。 在海洋的大部分區(qū)域，特別是表層水中，溶解磷主要是以溶解有機磷（DOP）形式，因而這些區(qū)域的生產力主要依靠有機物礦化再生出來的生物可利用的磷。DOP 的再生成為這些區(qū)域生物可利用磷的主要來源。在太平洋寡營養(yǎng)環(huán)流區(qū)的ALOHA站觀測到的生物可利用有機磷超過了SRP， 浮游植物主要利用DOP做為磷源。 浮游植物的各類不同，其對磷的需求也會不同，因而浮游植物的C/N/P比值也會

14、不同。這可以通過加富實驗顯現(xiàn)了來。如赫氏圓石藻（Emiliania huxleyi）赤潮發(fā)生低NO3/PO4情況下。這也意謂著E.huxleyi 快速生長需要較高濃度的磷酸鹽。 浮游植物是否受水體中磷酸鹽的脅迫，可以通過測定堿性磷酸酶來評估，磷酸鹽濃度越低，生物產生的磷酸酶會越多。 在Monterey Bay, California，甲藻可以通過堿性磷酸酶利用有機磷來補充磷的需求，而與其共存的硅藻則不行。我們在東海也發(fā)現(xiàn)這個現(xiàn)象。磷對海洋固氮的限制 一些浮游植物,象束毛藻（Trichodesmium spp.)、其它固氮菌具有固定大氣中N2的生理功能，但它們固定N2的能力會受到磷酸鹽（和痕量金

15、屬）生物可利用性的限制。 在熱帶寡營養(yǎng)區(qū)的單細胞固氮藍細菌可以更好適應低磷環(huán)境是因為其粒徑小，有較高的比面積以利用對磷酸鹽的吸收。 具有利用DOP的固氮菌在營養(yǎng)鹽競爭中具有一定優(yōu)勢。例如束毛藻（Trichodesmium spp.)可以清除有機磷中專屬的有機磷膦酸酯，以前認為不可能被生物體利用的磷源。 從地質時間尺度來看，海洋磷的貯池是海洋生產的全部有機物量所需要磷的限以上， 也就是說不存在磷限制。但從地質時間瞬間來看，海洋的初級生產會因為其它因素（鐵、光、營養(yǎng)鹽或其它限制因子）的影響而低于這個磷限。大洋寡營養(yǎng)區(qū)中的外源磷主要通過大氣塵埃沉降來補充，鐵也是通過這個途徑。氣溶膠中的磷濃度和形態(tài)會隨著塵埃來源不同和季節(jié)不同而發(fā)生變化。 在大洋的高營養(yǎng)低葉綠素區(qū)域，鐵能夠提高初級生產?？偲饋碇v，這些地區(qū)呈現(xiàn)的是氮限制，而氮固定是受到磷和鐵的限制。 目前對于探討浮游植物生長的營養(yǎng)鹽限制問題，有以上三種方法：（1）營養(yǎng)鹽比例法。水體中的浮游植物大體是按Redfield比例（N P Si=16 1 16）吸收營養(yǎng)鹽，因此可以根據(jù)水體中營養(yǎng)鹽濃度的比例，判斷水體中營養(yǎng)鹽限制情況。這種方法簡單，缺點是只能大體了解水體中營養(yǎng)鹽的大致情況供求情況，不能就此得出精確的結論。（2）室內培養(yǎng)的方法。但這種方法畢竟是實驗室里的人工環(huán)境，與現(xiàn)場的實際情況還有一定的差距。（3）營養(yǎng)鹽加富現(xiàn)場培養(yǎng)實驗。通