海洋化學(xué)海洋中的痕量金屬

1、第六章海洋中的痕量金屬第六章海洋中的痕量金屬第第1 1節(jié)引言節(jié)引言v痕量金屬是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組分之一，其生物痕量金屬是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組分之一，其生物地球化學(xué)循環(huán)對(duì)于了解海洋生態(tài)系的結(jié)構(gòu)和功能具地球化學(xué)循環(huán)對(duì)于了解海洋生態(tài)系的結(jié)構(gòu)和功能具有重要意義。有重要意義。v某些痕量金屬對(duì)于海洋生物的生長(zhǎng)起著促進(jìn)作用，某些痕量金屬對(duì)于海洋生物的生長(zhǎng)起著促進(jìn)作用，而某些金屬則對(duì)海洋生物有毒性作用，而且這些作而某些金屬則對(duì)海洋生物有毒性作用，而且這些作用與痕量金屬的存在形態(tài)有關(guān)。用與痕量金屬的存在形態(tài)有關(guān)。v不少痕量金屬在古海洋學(xué)研究中也發(fā)揮著重要的作不少痕量金屬在古海洋學(xué)研究中也發(fā)揮著重要的作用，是解

2、開地球環(huán)境變遷歷史的重要指標(biāo)。用，是解開地球環(huán)境變遷歷史的重要指標(biāo)。v隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，由廢水排放等引起的海洋重金隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，由廢水排放等引起的海洋重金屬污染已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。屬污染已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。一、痕量金屬在生物生長(zhǎng)中的作用一、痕量金屬在生物生長(zhǎng)中的作用v痕量金屬幾乎參與了海洋生命的方方面面，痕量金屬幾乎參與了海洋生命的方方面面，從細(xì)胞壁形成到蛋白質(zhì)合成，無不存在痕量從細(xì)胞壁形成到蛋白質(zhì)合成，無不存在痕量金屬的蹤跡。金屬的蹤跡。參與一系列生化反應(yīng)中，起催化劑的作用，激發(fā)、參與一系列生化反應(yīng)中，起催化劑的作用，激發(fā)、調(diào)控或抑制某些生化反應(yīng)的進(jìn)行。調(diào)控或抑制某些生化反應(yīng)

3、的進(jìn)行。在原子量大于在原子量大于5050的元素中，大約有十幾種元素已的元素中，大約有十幾種元素已經(jīng)知道具有生物學(xué)作用，并影響到海洋生物地球經(jīng)知道具有生物學(xué)作用，并影響到海洋生物地球化學(xué)過程，它們通常作為海洋生物蛋白質(zhì)的構(gòu)成化學(xué)過程，它們通常作為海洋生物蛋白質(zhì)的構(gòu)成元素或酶體系的調(diào)控元素。元素或酶體系的調(diào)控元素。海洋重要生物地球化學(xué)過程及可能起作用的痕量金屬海洋重要生物地球化學(xué)過程及可能起作用的痕量金屬痕量金屬在海洋碳、氮循環(huán)中的作用痕量金屬在海洋碳、氮循環(huán)中的作用痕量金屬元素的毒性作用痕量金屬元素的毒性作用v即使是生物生長(zhǎng)所必需的某些痕量金屬元素，即使是生物生長(zhǎng)所必需的某些痕量金屬元素，在其濃

4、度過高時(shí)也會(huì)對(duì)生物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制或在其濃度過高時(shí)也會(huì)對(duì)生物生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制或毒性作用。毒性作用。v問題問題毒性效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制毒性效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制海洋生物應(yīng)對(duì)策略海洋生物應(yīng)對(duì)策略研究意義研究意義二、海水痕量金屬的測(cè)定問題二、海水痕量金屬的測(cè)定問題v19701970年之前，由于儀器年之前，由于儀器靈敏度不足靈敏度不足以及采以及采樣與分析過程的樣與分析過程的污染污染等，所報(bào)道的數(shù)據(jù)存等，所報(bào)道的數(shù)據(jù)存在較大問題在較大問題不同時(shí)期所測(cè)海不同時(shí)期所測(cè)海水中部分痕量金水中部分痕量金屬元素濃度屬元素濃度1969年年Caribbean Sea樣品比對(duì)結(jié)果樣品比對(duì)結(jié)果v對(duì)于現(xiàn)在的研究，采樣、分析過程的污染問對(duì)于現(xiàn)在的研究，

5、采樣、分析過程的污染問題仍然是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)題仍然是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)MITESS痕量金屬采樣系統(tǒng)痕量金屬采樣系統(tǒng)開闊大洋表層水部分金屬開闊大洋表層水部分金屬溶解態(tài)濃度溶解態(tài)濃度第第2 2節(jié)海洋痕量金屬元素的來源與遷出節(jié)海洋痕量金屬元素的來源與遷出一、海洋中痕量金屬的來源一、海洋中痕量金屬的來源（1）大陸徑流）大陸徑流（2）大氣沉降）大氣沉降（3）海底沉積物間隙水向上覆水體的擴(kuò)散）海底沉積物間隙水向上覆水體的擴(kuò)散（4）海底熱液作用）海底熱液作用（5）人類活動(dòng)）人類活動(dòng)（1 1）大陸徑流輸入）大陸徑流輸入v河流是海洋顆粒態(tài)、溶解態(tài)金屬的主要來源河流是海洋顆粒態(tài)、溶解態(tài)金屬的主要來源之一。之一。吸附、

6、解吸作用吸附、解吸作用沉淀作用沉淀作用（2）大氣沉降）大氣沉降v對(duì)于某些金屬元素大氣沉降是進(jìn)入海洋的最對(duì)于某些金屬元素大氣沉降是進(jìn)入海洋的最主要來源，如主要來源，如As、Pb等等對(duì)于開闊大洋中心區(qū)域的環(huán)流區(qū)，由于遠(yuǎn)離陸地，對(duì)于開闊大洋中心區(qū)域的環(huán)流區(qū)，由于遠(yuǎn)離陸地，河流輸送量很少，而垂直混合又受到層化作用的河流輸送量很少，而垂直混合又受到層化作用的抑制，由深層水向上輸送的量也有限，大氣輸送抑制，由深層水向上輸送的量也有限，大氣輸送變得非常重要。變得非常重要。（3）海底沉積物間隙水向上覆水體）海底沉積物間隙水向上覆水體 的擴(kuò)散的擴(kuò)散v沉降顆粒物輸送痕量金屬到沉積物后，沉積沉降顆粒物輸送痕量金屬到

7、沉積物后，沉積物中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可將部分痕量金屬重物中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可將部分痕量金屬重新溶解，這個(gè)過程稱為再生重動(dòng)。新溶解，這個(gè)過程稱為再生重動(dòng)。v富含有機(jī)質(zhì)的沉積物（如近岸沉積物）由于富含有機(jī)質(zhì)的沉積物（如近岸沉積物）由于具有高金屬濃度以及有機(jī)物相對(duì)不穩(wěn)定的性具有高金屬濃度以及有機(jī)物相對(duì)不穩(wěn)定的性質(zhì)，通常是痕量金屬元素從沉積物重新回到質(zhì)，通常是痕量金屬元素從沉積物重新回到海洋的重要區(qū)域。海洋的重要區(qū)域。（4）海底熱液作用）海底熱液作用v海底熱液通常富含痕量金屬元素。海底熱液通常富含痕量金屬元素。（5）人類活動(dòng)）人類活動(dòng)v人類活動(dòng)同樣會(huì)向海洋輸入痕量金屬元素，人類活動(dòng)同樣會(huì)向海洋輸入痕量金

8、屬元素，絕大部分是通過河流和大氣沉降的途徑進(jìn)入絕大部分是通過河流和大氣沉降的途徑進(jìn)入海洋。海洋。v周轉(zhuǎn)時(shí)間周轉(zhuǎn)時(shí)間（turnover time）或停留時(shí)間或停留時(shí)間（residence time）通過一系列過程將海通過一系列過程將海洋中某一特定組分全洋中某一特定組分全部清除、遷出海洋所部清除、遷出海洋所需要的時(shí)間。需要的時(shí)間。也代表通過一系列過也代表通過一系列過程重新產(chǎn)生海洋中現(xiàn)程重新產(chǎn)生海洋中現(xiàn)有儲(chǔ)量所需要的時(shí)間。有儲(chǔ)量所需要的時(shí)間。浮游植物和褐藻中部分金屬元素的富集因子（浮游植物和褐藻中部分金屬元素的富集因子（EF）有孔蟲碳酸鹽外殼與放射蟲硅質(zhì)外殼中有孔蟲碳酸鹽外殼與放射蟲硅質(zhì)外殼中金屬濃

9、度金屬濃度第第3 3節(jié)海洋痕量金屬的垂直分布節(jié)海洋痕量金屬的垂直分布v海洋中溶解態(tài)金屬的水平或垂直分布受控于其海洋中溶解態(tài)金屬的水平或垂直分布受控于其輸入與遷出的速率，因此，通過海洋中溶解態(tài)輸入與遷出的速率，因此，通過海洋中溶解態(tài)金屬的垂直分布可反應(yīng)該元素收支平衡的狀態(tài)。金屬的垂直分布可反應(yīng)該元素收支平衡的狀態(tài)。v根據(jù)垂直分布的特點(diǎn)，可分成根據(jù)垂直分布的特點(diǎn)，可分成7 7類（類（Bruland, Bruland, 19831983）: :一、保守行為型一、保守行為型v少量痕量金屬，少量痕量金屬，如如RbRb+ +、CsCs+ +、MoOMoO4 42-2-、WOWO4 42-2-等，等，其垂直

10、分布與溫其垂直分布與溫度或鹽度的變化度或鹽度的變化相一致，說明其相一致，說明其分布僅受控于物分布僅受控于物理過程。理過程。v這類金屬元素通這類金屬元素通常不會(huì)明顯富集常不會(huì)明顯富集在生源物質(zhì)中，在生源物質(zhì)中，故也是生物非限故也是生物非限制性元素。制性元素。二、營(yíng)養(yǎng)鹽型二、營(yíng)養(yǎng)鹽型v類似于主要營(yíng)養(yǎng)鹽，均在類似于主要營(yíng)養(yǎng)鹽，均在深層水存在富集現(xiàn)象，如深層水存在富集現(xiàn)象，如ZnZn、CuCu、NiNi、CdCd等。等。v產(chǎn)生原因：這些元素在上產(chǎn)生原因：這些元素在上層水被浮游生物吸收，生層水被浮游生物吸收，生物死亡后，部分在上層水物死亡后，部分在上層水體再循環(huán)，另有部分通過體再循環(huán)，另有部分通過顆粒沉

11、降輸送至中深層。顆粒沉降輸送至中深層。進(jìn)入中深層水體的顆粒物進(jìn)入中深層水體的顆粒物發(fā)生再礦化作用，這些元發(fā)生再礦化作用，這些元素重新回到水體中，由此素重新回到水體中，由此形成表層低而中深層高的形成表層低而中深層高的分布。分布。中心北太平洋溶解態(tài)中心北太平洋溶解態(tài)NiNi、CuCu、ZnZn、CdCd的垂直分布的垂直分布NiCuZnCd營(yíng)養(yǎng)鹽型痕量金屬與主要營(yíng)養(yǎng)鹽之間營(yíng)養(yǎng)鹽型痕量金屬與主要營(yíng)養(yǎng)鹽之間往往存在良好的線性正相關(guān)關(guān)系往往存在良好的線性正相關(guān)關(guān)系中心北太平洋溶解態(tài)中心北太平洋溶解態(tài)ZnZn與與H H4 4SiOSiO4 4、溶解態(tài)、溶解態(tài)CdCd與與HPOHPO4 42-2-的關(guān)系的關(guān)系

12、v深層水相對(duì)于表層水富集此類痕量元素的程度與以深層水相對(duì)于表層水富集此類痕量元素的程度與以下因素有關(guān)：下因素有關(guān)：（1 1）元素在生物體的富集因子（）元素在生物體的富集因子（EFEF）；）；（2 2）元素的顆粒沉降通量；）元素的顆粒沉降通量；（3 3）水體運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速率。）水體運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速率。v不同的元素，其垂向富集程度不同。不同的元素，其垂向富集程度不同。v3 3種子類型：種子類型：（1 1）中層深度）中層深度存在極大值；存在極大值；（2 2）深層水存）深層水存在極大值；在極大值；（3 3）中層與深）中層與深層同時(shí)存在極大層同時(shí)存在極大值。值。中心北太平洋溶解態(tài)中心北太平洋溶解態(tài)NiNi、C

13、uCu、ZnZn、CdCd的垂直分布的垂直分布三、表層富集型三、表層富集型v由供給源輸送至表由供給源輸送至表層水，而后迅速并層水，而后迅速并永久地從海水中遷永久地從海水中遷出。它們?cè)诤Ｑ笾谐?。它們?cè)诤Ｑ笾械闹苻D(zhuǎn)時(shí)間遠(yuǎn)短于的周轉(zhuǎn)時(shí)間遠(yuǎn)短于水體混合時(shí)間。水體混合時(shí)間。引起表層富集的過程主要有：（1 1）大氣輸送進(jìn)入海洋，如）大氣輸送進(jìn)入海洋，如PbPb。PbPb主要通過人類燃燒含主要通過人類燃燒含PbPb汽油進(jìn)入大氣，并被大汽油進(jìn)入大氣，并被大氣氣溶膠顆粒所吸附，其后顆粒態(tài)氣氣溶膠顆粒所吸附，其后顆粒態(tài)PbPb主要通過降主要通過降雨輸送進(jìn)入海洋表層。雨輸送進(jìn)入海洋表層。北大西洋百慕大時(shí)間系列站表層

14、水北大西洋百慕大時(shí)間系列站表層水溶解態(tài)溶解態(tài)PbPb濃度的時(shí)間變化濃度的時(shí)間變化（2 2）由河流輸）由河流輸送或由陸架沉送或由陸架沉積物釋放，而積物釋放，而后通過水平混后通過水平混合進(jìn)入開闊大合進(jìn)入開闊大洋，形成表層洋，形成表層或次表層極大或次表層極大值（如值（如MnMn）。）。北太平洋沿岸海域、開闊大洋溶解態(tài)北太平洋沿岸海域、開闊大洋溶解態(tài)Mn的垂的垂直分布及表層水溶解態(tài)直分布及表層水溶解態(tài)Mn隨離岸距離的變化隨離岸距離的變化北太平洋東北太平洋東部沿海部沿海北太平洋北太平洋中心海域中心海域（3 3）生物過程導(dǎo)致的氧化還原反應(yīng)會(huì)使還原）生物過程導(dǎo)致的氧化還原反應(yīng)會(huì)使還原態(tài)金屬元素在表層或次表層

15、出現(xiàn)極大值，例態(tài)金屬元素在表層或次表層出現(xiàn)極大值，例如如Cr(III)Cr(III)、As(III)As(III)、I I- -。四、中層極小值型四、中層極小值型v表層水溶解態(tài)表層水溶解態(tài)AlAl較高的較高的濃度來自大氣沉降的輸濃度來自大氣沉降的輸入，而深層水溶解態(tài)入，而深層水溶解態(tài)AlAl較高的濃度來自沉積物較高的濃度來自沉積物中中AlAl重新溶解后向上覆重新溶解后向上覆水體的擴(kuò)散。中層水體水體的擴(kuò)散。中層水體的極小值是由于該區(qū)域的極小值是由于該區(qū)域距離源區(qū)較遠(yuǎn)，同時(shí)通距離源區(qū)較遠(yuǎn)，同時(shí)通過吸附至沉降硅質(zhì)外殼過吸附至沉降硅質(zhì)外殼而遷出共同形成。類似而遷出共同形成。類似的痕量金屬元素有的痕量金

16、屬元素有SnSn。五、中層深度極大值五、中層深度極大值v緣于痕量元素存在中層來源，如海底熱液的水緣于痕量元素存在中層來源，如海底熱液的水平輸送。平輸送。六、中層亞氧層的極大或極小值六、中層亞氧層的極大或極小值v海洋的次表層相對(duì)于溶解氧通常是不飽和的，海洋的次表層相對(duì)于溶解氧通常是不飽和的，在存在少量溶解氧的情況下，稱為亞氧化環(huán)在存在少量溶解氧的情況下，稱為亞氧化環(huán)境（境（suboxicsuboxic）。）。v最明顯的亞氧化環(huán)境出現(xiàn)在沿岸上升流區(qū)和最明顯的亞氧化環(huán)境出現(xiàn)在沿岸上升流區(qū)和水體運(yùn)動(dòng)不活躍的區(qū)域水體運(yùn)動(dòng)不活躍的區(qū)域太平洋的秘魯上升流區(qū)太平洋的秘魯上升流區(qū)印度洋的阿拉伯海。印度洋的阿拉伯

17、海。v亞氧化條件下，部分金屬元素會(huì)發(fā)生還原作亞氧化條件下，部分金屬元素會(huì)發(fā)生還原作用，如果其用，如果其還原形態(tài)還原形態(tài)比氧化形態(tài)比氧化形態(tài)溶解度更大溶解度更大的話，那么元素在該水層中將出現(xiàn)極大值。的話，那么元素在該水層中將出現(xiàn)極大值。v如果某金屬元素的如果某金屬元素的還原形態(tài)還原形態(tài)比氧化形態(tài)比氧化形態(tài)溶解溶解度小度小的話，則將產(chǎn)生極小值的分布形態(tài)，如的話，則將產(chǎn)生極小值的分布形態(tài)，如CrCr3+3+。七、缺氧水體中的極大或極小值七、缺氧水體中的極大或極小值v開闊大洋幾乎沒有缺氧現(xiàn)象，但在邊緣海開闊大洋幾乎沒有缺氧現(xiàn)象，但在邊緣海（如黑海）和深海溝中（如（如黑海）和深海溝中（如Carciaco

18、 TrenchCarciaco Trench）可以見到?？梢砸姷健痕量金屬在中深層水體存在極大或極小值的痕量金屬在中深層水體存在極大或極小值的原因與亞氧化條件下相同。原因與亞氧化條件下相同。黑海水體中溶解態(tài)痕量金屬的垂直分布黑海水體中溶解態(tài)痕量金屬的垂直分布第第4 4節(jié)海洋痕量金屬的水平分布特征節(jié)海洋痕量金屬的水平分布特征一、太平洋與大西洋深層水痕量金屬濃度的比較一、太平洋與大西洋深層水痕量金屬濃度的比較許多元素在太平洋深層水中的濃度高于大西洋深層許多元素在太平洋深層水中的濃度高于大西洋深層水，原因在于太平洋深層水較老的年齡讓它累積了水，原因在于太平洋深層水較老的年齡讓它累積了更多來自上層水

19、體的金屬元素。更多來自上層水體的金屬元素。例外的情況是例外的情況是PbPb2+2+和和AlAl3+3+，太平洋深層水中的溶，太平洋深層水中的溶解態(tài)解態(tài)PbPb和和AlAl濃度低于大西洋深層水，原因在于它濃度低于大西洋深層水，原因在于它們?cè)诖笪餮蟊韺泳哂休^高的輸入通量，且它們不們?cè)诖笪餮蟊韺泳哂休^高的輸入通量，且它們不斷地從水體中清除、遷出，導(dǎo)致無法累積在太平斷地從水體中清除、遷出，導(dǎo)致無法累積在太平洋深層水中。洋深層水中。二、近岸海域與開闊大洋痕量金屬濃度的比較二、近岸海域與開闊大洋痕量金屬濃度的比較絕大多數(shù)痕量金屬元素在陸架區(qū)具有較高的溶解絕大多數(shù)痕量金屬元素在陸架區(qū)具有較高的溶解態(tài)濃度，意

20、味著它們存在陸地來源（包括河流或態(tài)濃度，意味著它們存在陸地來源（包括河流或沉積物）。而一些元素在大洋中心環(huán)流區(qū)的濃度沉積物）。而一些元素在大洋中心環(huán)流區(qū)的濃度較高則意味著存在大氣沉降輸入。較高則意味著存在大氣沉降輸入。v北大西洋開北大西洋開闊海洋闊海洋歐歐洲沿岸斷面洲沿岸斷面表層水溶解表層水溶解態(tài)態(tài)CdCd、CuCu、MnMn的分布的分布500m等深線等深線磷酸鹽磷酸鹽硅酸鹽硅酸鹽MnCuCd鹽度鹽度溫度溫度北太平洋北太平洋Hawaii-Montery BayHawaii-Montery Bay斷面表層水痕量金屬的分布斷面表層水痕量金屬的分布第第5 5節(jié)海水中痕量金屬的存在形態(tài)節(jié)海水中痕量金屬

21、的存在形態(tài)北太平洋溶解態(tài)北太平洋溶解態(tài)CuCu及其有機(jī)配位體的垂直分布及其有機(jī)配位體的垂直分布v海水中與海水中與CuCu結(jié)合的有機(jī)配結(jié)合的有機(jī)配位體可能主要由上層海洋位體可能主要由上層海洋的浮游植物或細(xì)菌產(chǎn)生。的浮游植物或細(xì)菌產(chǎn)生。海洋中浮游植物可能為了海洋中浮游植物可能為了避免避免CuCu產(chǎn)生毒性而發(fā)展出產(chǎn)生毒性而發(fā)展出細(xì)胞內(nèi)的解毒機(jī)制，將細(xì)細(xì)胞內(nèi)的解毒機(jī)制，將細(xì)胞內(nèi)多余的胞內(nèi)多余的CuCu釋放至環(huán)境釋放至環(huán)境中，從而在海水中出現(xiàn)有中，從而在海水中出現(xiàn)有機(jī)結(jié)合態(tài)機(jī)結(jié)合態(tài)CuCu。v問題？問題？ 另外一些對(duì)另外一些對(duì)CuCu相對(duì)不敏感相對(duì)不敏感的生物為什么仍然釋放出的生物為什么仍然釋放出可絡(luò)合

22、可絡(luò)合CuCu的有機(jī)配位體來的有機(jī)配位體來保護(hù)其競(jìng)爭(zhēng)者呢？保護(hù)其競(jìng)爭(zhēng)者呢？二、海水痕量金屬的形態(tài)二、海水痕量金屬的形態(tài)v與常量元素不同，痕量金屬元素會(huì)有更大比與常量元素不同，痕量金屬元素會(huì)有更大比例以例以離子對(duì)離子對(duì)或或配位化合物配位化合物形態(tài)存在。形態(tài)存在。v在在氧化性海水氧化性海水中，與痕量金屬元素結(jié)合的無機(jī)配位中，與痕量金屬元素結(jié)合的無機(jī)配位體主要包括體主要包括OHOH- -、ClCl- -、SOSO4 42-2-、COCO3 32-2-等，有機(jī)配位體等，有機(jī)配位體包括羰類、酚類、胺類和氨基酸等。包括羰類、酚類、胺類和氨基酸等。v在在缺氧水體缺氧水體中，形成硫化物往往會(huì)明顯影響痕量金中，

23、形成硫化物往往會(huì)明顯影響痕量金屬的存在形態(tài)。屬的存在形態(tài)。v在大部分情況下，海水中配位體的濃度要高于痕量在大部分情況下，海水中配位體的濃度要高于痕量金屬元素的濃度。金屬元素的濃度。v由于海水中痕量金屬元素濃度很低，且分析過程常由于海水中痕量金屬元素濃度很低，且分析過程常受到其他元素的干擾，期望直接測(cè)量獲得海水中痕受到其他元素的干擾，期望直接測(cè)量獲得海水中痕量金屬元素的存在形態(tài)是非常困難的。量金屬元素的存在形態(tài)是非常困難的。第第6 6節(jié)海洋中鐵的生物地球化學(xué)循環(huán)節(jié)海洋中鐵的生物地球化學(xué)循環(huán)一、一、FeFe生物地球化學(xué)循環(huán)的重要性生物地球化學(xué)循環(huán)的重要性調(diào)控大氣調(diào)控大氣COCO2 2濃度濃度南極冰

24、芯所揭示大氣南極冰芯所揭示大氣COCO2 2濃度與大氣鐵沉降通量的關(guān)系濃度與大氣鐵沉降通量的關(guān)系兩個(gè)關(guān)聯(lián)假說兩個(gè)關(guān)聯(lián)假說兩個(gè)假說都說明：鐵的生物地球化學(xué)循環(huán)在全球氣候變化中起重要作用！兩個(gè)假說都說明：鐵的生物地球化學(xué)循環(huán)在全球氣候變化中起重要作用！鐵在海鐵在海洋生物洋生物地球化地球化學(xué)過程學(xué)過程中的可中的可能作用能作用l 海水中的海水中的Fe以兩種氧化態(tài)形式存在，即以兩種氧化態(tài)形式存在，即Fe（III）和）和Fe（II）；）；l 在氧化性海水中，在氧化性海水中，F(xiàn)e（III）是最重要的存在價(jià)態(tài)，）是最重要的存在價(jià)態(tài)，其相對(duì)于水解、吸附和絡(luò)合作用等是非?；钴S的。其相對(duì)于水解、吸附和絡(luò)合作用等是非

25、常活躍的。l 溶解度更高且動(dòng)力學(xué)上相對(duì)不穩(wěn)定的溶解度更高且動(dòng)力學(xué)上相對(duì)不穩(wěn)定的Fe（II）通常）通常作為作為Fe（III）的還原產(chǎn)物短暫地存在于海水中。）的還原產(chǎn)物短暫地存在于海水中。l 與與Fe（III）不同，無機(jī)）不同，無機(jī)Fe（II）組分容易溶解于海）組分容易溶解于海水中，且有機(jī)物對(duì)其的絡(luò)合作用較弱，因此，當(dāng)水中，且有機(jī)物對(duì)其的絡(luò)合作用較弱，因此，當(dāng)Fe（III）還原作用發(fā)生時(shí)，可短暫地增加海水中生物）還原作用發(fā)生時(shí)，可短暫地增加海水中生物可利用性可利用性Fe的數(shù)量。的數(shù)量。2 2、海洋中溶解態(tài)鐵儲(chǔ)量、海洋中溶解態(tài)鐵儲(chǔ)量3 3、鐵輸入海洋的途徑、鐵輸入海洋的途徑v河流輸入河流輸入v大氣沉

26、降輸入大氣沉降輸入v海底熱液輸入海底熱液輸入v海底沉積物的輸入海底沉積物的輸入河流輸入河流輸入大氣沉降輸入大氣沉降輸入海底熱液輸入海底熱液輸入海底沉積物的輸入海底沉積物的輸入v有關(guān)海底沉積物向上覆水體提供的有關(guān)海底沉積物向上覆水體提供的FeFe通量了通量了解很少，但估計(jì)與大氣沉降輸送通量在同一解很少，但估計(jì)與大氣沉降輸送通量在同一數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)v對(duì)于大氣沉降輸入較低的開闊大洋水體，沉對(duì)于大氣沉降輸入較低的開闊大洋水體，沉積物鐵的輸入可能起著重要作用。最直接證積物鐵的輸入可能起著重要作用。最直接證據(jù)在于由開闊大洋向陸架邊緣，鐵的空間變據(jù)在于由開闊大洋向陸架邊緣，鐵的空間變化存在強(qiáng)的濃度梯度?；嬖?/p>

27、強(qiáng)的濃度梯度。4 4、鐵從海水的遷出、鐵從海水的遷出生物驅(qū)動(dòng)的上層水體生物驅(qū)動(dòng)的上層水體FeFe輸出通量輸出通量三、鐵生物地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵過程三、鐵生物地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵過程l大氣鐵沉降通量大氣鐵沉降通量l鐵的生物吸收鐵的生物吸收l鐵的顆粒清除、遷出鐵的顆粒清除、遷出1 1、鐵的大氣沉降、鐵的大氣沉降v大氣沉降來源：大氣沉降來源：主要來自北半球中緯度區(qū)的干旱與半干旱地區(qū)受主要來自北半球中緯度區(qū)的干旱與半干旱地區(qū)受人類活動(dòng)影響人類活動(dòng)影響v由地殼產(chǎn)生的塵埃的粒徑一般介于由地殼產(chǎn)生的塵埃的粒徑一般介于1100m之間，其中大的顆粒物會(huì)在距離源區(qū)比較近之間，其中大的顆粒物會(huì)在距離源區(qū)比較近的地方沉降

28、下來，直徑小于的地方沉降下來，直徑小于10m的顆粒物則的顆粒物則可以輸送至很遠(yuǎn)的地方。已有研究顯示，來可以輸送至很遠(yuǎn)的地方。已有研究顯示，來自中國(guó)戈壁沙漠的塵埃運(yùn)移自中國(guó)戈壁沙漠的塵埃運(yùn)移1000015000 km達(dá)到中心太平洋僅需要達(dá)到中心太平洋僅需要814 d的時(shí)間。的時(shí)間。v源區(qū)塵埃的產(chǎn)生速率具有很大的時(shí)空變化，源區(qū)塵埃的產(chǎn)生速率具有很大的時(shí)空變化，降雨量、風(fēng)速、人類對(duì)土地的利用模式等均降雨量、風(fēng)速、人類對(duì)土地的利用模式等均會(huì)影響到塵埃的產(chǎn)生速率。會(huì)影響到塵埃的產(chǎn)生速率。大氣沉降顆粒通量：大氣沉降顆粒通量： 西北太平洋與赤道大西洋最高西北太平洋與赤道大西洋最高干、濕沉降貢獻(xiàn)：干沉降占干、

29、濕沉降貢獻(xiàn)：干沉降占70%70%，濕沉降占，濕沉降占30%30%沉降顆粒沉降顆粒FeFe的溶解度：的溶解度：pHpH、顆粒物源、鐵形態(tài)等影響、顆粒物源、鐵形態(tài)等影響v地殼礦物源氣溶膠干沉降中地殼礦物源氣溶膠干沉降中FeFe在海水在海水pHpH值條值條件下的總?cè)芙舛炔蛔慵碌目側(cè)芙舛炔蛔?%1%，但在有光條件下，但在有光條件下，其中部分其中部分FeFe將被還原為生物可利用的將被還原為生物可利用的FeFe（IIII），而），而FeFe在雨水中的溶解度平均為在雨水中的溶解度平均為14%14%，因此，盡管輸入全球海洋的因此，盡管輸入全球海洋的FeFe通量主要受控通量主要受控于干沉降，但海水中溶解態(tài)于干

30、沉降，但海水中溶解態(tài)FeFe應(yīng)主要來自濕應(yīng)主要來自濕沉降。沉降。2 2、鐵的生物吸收、鐵的生物吸收鐵載體輸送機(jī)制：鐵載體輸送機(jī)制：原原產(chǎn)生鐵載體的淡水與海洋浮游生物產(chǎn)生鐵載體的淡水與海洋浮游生物siderophoreiron atomsOrganic ligandsFe(II)或或Fe(III)膜蛋白輸送系統(tǒng)：真核生物膜蛋白輸送系統(tǒng)：真核生物海洋硅藻（海洋硅藻（Thalassiosira weissflogii）鐵生物吸收速率與無機(jī)態(tài)鐵生物吸收速率與無機(jī)態(tài)Fe濃度的關(guān)系濃度的關(guān)系開闊大洋與沿岸海域浮游生物鐵需求量的變化開闊大洋與沿岸海域浮游生物鐵需求量的變化3 3、鐵的清除、遷出、鐵的清除、遷

31、出v海水中海水中Fe（III）組分具有很強(qiáng)的顆粒活性，）組分具有很強(qiáng)的顆粒活性，極易被沉降的礦物顆?；蛏此樾记宄?、遷極易被沉降的礦物顆?；蛏此樾记宄?、遷出。這些顆粒物的表面往往都含有強(qiáng)的吸附出。這些顆粒物的表面往往都含有強(qiáng)的吸附介質(zhì)，如鐵錳水合物、黏土礦物或有機(jī)組分介質(zhì)，如鐵錳水合物、黏土礦物或有機(jī)組分等，從而能快速地從水體中吸附各種痕量金等，從而能快速地從水體中吸附各種痕量金屬。屬。v顆粒物對(duì)溶解態(tài)顆粒物對(duì)溶解態(tài)Fe的清除速率取決于水體中的清除速率取決于水體中溶解態(tài)溶解態(tài)Fe的濃度以及顆粒物的豐度和粒徑分的濃度以及顆粒物的豐度和粒徑分布。布。Fe與細(xì)胞結(jié)合的兩個(gè)儲(chǔ)庫(kù)：與細(xì)胞結(jié)合的兩個(gè)儲(chǔ)庫(kù)： 細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞表面吸細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞表面吸附附南大洋天然懸浮顆粒物表面結(jié)合與內(nèi)部結(jié)合的鐵南大洋天然懸浮顆粒物表面結(jié)合與內(nèi)部結(jié)合的鐵Bowie等，2001四、海洋中四、海洋中FeFe的含量與分布的含量與分布溶解態(tài)溶解態(tài)FeFe濃度分布濃度分布nMnMnM來自陸架沉積物的溶解態(tài)來自陸架沉積物的溶解態(tài)Fe向開闊大洋的輸送向開闊大洋的輸送離岸距離離岸距離(km)溶解態(tài)溶解態(tài)Fe濃度垂直分