海南島近岸海域的尿素及其對(duì)浮游生物生長(zhǎng)的影響

海南島近岸海域的尿素及其對(duì)浮游生物生長(zhǎng)的影響

在過(guò)去幾十年中，作為重要的氮氮量，尿素的用量在世界上增加了100倍。與中國(guó)和印度相比，尿素量占世界的一半。由于尿素的過(guò)量使用,大量未被利用的尿素通過(guò)徑流等方式進(jìn)入沿海海域,從而導(dǎo)致近岸和河口水體中尿素含量大幅度升高。尿素作為一種小分子有機(jī)氮源,可以被浮游植物直接吸收利用,在海洋氮循環(huán)中可能發(fā)揮重要作用。然而,在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),包括尿素在內(nèi)的有機(jī)氮源對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)都被忽視了。水體中浮游植物對(duì)尿素的吸收率范圍為0.1—3.6μmolN/h,有可能高于對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸收率,占浮游植物對(duì)氮吸收的50%以上。海區(qū)中尿素濃度較低,大洋中尿素濃度通常檢測(cè)到的濃度為摩爾濃度,而近岸、河口和河流中尿素濃度變化極大,范圍為0.02—23.40μmolN/L。尿素并非海洋調(diào)查中的常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,目前對(duì)于全球(包括我國(guó))大多數(shù)海區(qū)中尿素濃度的分布及生物可利用狀況知之甚少。在浮游植物細(xì)胞內(nèi),尿素主要通過(guò)脲酶作用水解為NH4+和CO2,隨后進(jìn)入各種生化代謝途徑。有研究表明,不同種類的浮游植物在利用尿素的能力上存在差異,海水中尿素濃度的增加可能有利于某些類群的生長(zhǎng),如藍(lán)細(xì)菌、甲藻等。越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)尿素的輸入與有害藻華的發(fā)生存在一定的相關(guān)性。近岸和河口水域尿素的可利用性及其對(duì)浮游生物群落的影響已成為新的研究熱點(diǎn)。海南省位于我國(guó)最南端的南海海域,海水潔凈,總體水質(zhì)良好。但近年來(lái),隨著海南經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,大量工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水直接或間接排入海洋,導(dǎo)致近岸海區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇,有害藻華頻發(fā),且規(guī)模不斷擴(kuò)大。赤潮多發(fā)生在2—5月間,?？?、澄邁、文昌、陵水和三亞沿海一帶海域是海南赤潮監(jiān)控的重點(diǎn)區(qū)域。2011年春季(4—5月),研究者對(duì)上述5個(gè)區(qū)域開(kāi)展調(diào)查采樣,重點(diǎn)研究水體中的尿素濃度及浮游生物的脲酶活性的水平分布狀況,結(jié)合相關(guān)的理化環(huán)境數(shù)據(jù),分析海南島近岸海域尿素的可利用性及其對(duì)浮游植物種群生長(zhǎng)、種間競(jìng)爭(zhēng)可能產(chǎn)生的影響,為研判該海域海水的污染程度及赤潮的發(fā)生機(jī)制提供依據(jù)。1材料和方法1.1水質(zhì)污染嚴(yán)重調(diào)查區(qū)域包括5個(gè)海灣,分別為位于北部的?？跒?5個(gè)測(cè)站)和澄邁灣(6個(gè)測(cè)站),位于東部的文昌八門灣(8個(gè)測(cè)站),位于南部的陵水新村灣(6個(gè)測(cè)站)、大東海(6個(gè)測(cè)站)(圖1)。?？跒澄挥诤？谑斜辈?海灣面積43.7km2,?？谑猩钗鬯约安糠止I(yè)廢水由龍昆溝和秀英溝排污口直接或間接排入海域,并有來(lái)自?？谛赂酆秃５橄牒？诘鹊奈廴疚??？跒辰逗Ｓ蚋粻I(yíng)養(yǎng)化程度高。澄邁灣為澄邁縣北部海灣,海灣面積16km2,澄邁灣近岸擁有萬(wàn)噸深水泊位碼頭,并有大量重工業(yè)落戶于馬村港,澄邁灣面臨著很大的環(huán)境壓力,部分水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化。文昌八門灣位于海南省東部,銅鼓嶺淇水灣海域分布數(shù)千畝養(yǎng)蝦池,為海南省重要的養(yǎng)殖基地。位于南部的陵水新村灣為天然瀉湖性港灣,西部有一窄口與陵水灣想通,集漁港、海水養(yǎng)殖、濱海旅游和居住區(qū)為一體。大東海地處海南省最南端,近年來(lái)隨著旅游業(yè)的興起和養(yǎng)殖業(yè)的不斷擴(kuò)大,沿海一帶的的水質(zhì)呈現(xiàn)輕度污染狀態(tài)。澄邁灣、陵水新村灣和文昌八門灣的采樣時(shí)間為2011年4月26日,海口灣為2011年4月29日,大東海為2011年5月25日。1.2浮游植物表面尿素活性的測(cè)定水溫和鹽度由美國(guó)YSI6600V2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)?？?cè)芙鈶B(tài)氮(TDN)、硝酸鹽(NO3-)+亞硝酸鹽(NO2-)、總?cè)芙鈶B(tài)磷(TDP)和磷酸鹽(DIP)濃度采用荷蘭SkalarSan++連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。銨鹽(NH4+)按照《海洋調(diào)查規(guī)范》測(cè)定。溶解無(wú)機(jī)氮(DIN)=NO3-+NO2-+NH4+,溶解有機(jī)氮(DON)=TDN-DIN,溶解有機(jī)磷(DOP)=TDP-DIP。浮游植物的采集、固定和計(jì)數(shù)均按《海洋調(diào)查規(guī)范》執(zhí)行,在日本OlympusBX61光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行浮游植物種類的鑒定和定量計(jì)數(shù)。尿素含量的測(cè)定仿照Revilla等的方法?，F(xiàn)場(chǎng)海水經(jīng)煅燒過(guò)的GF/F膜(450℃,3hr)過(guò)濾,凍存。樣品檢測(cè)時(shí),取水樣各4mL分裝入4個(gè)檢測(cè)試管中,其中2只各加入1.2mL顯色試劑,另2只各加入1.2mL空白對(duì)照試劑。(22±2)℃的黑暗環(huán)境下渦旋振蕩72hr,在韓國(guó)MecasysOptizen2120UV分光光度計(jì)520nm波段下檢測(cè)。所得尿素含量以μmol/L表示。脲酶活性的測(cè)定以Solomon等的方法為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化。浮游植物顆粒經(jīng)100μm孔徑篩絹過(guò)濾后,采用GF/F濾膜收集,液氮中保存。在濾膜樣品上加入1mL勻漿抽提液,冰浴條件下破碎研磨細(xì)胞,離心后取上清液分別轉(zhuǎn)移至檢測(cè)試管tf及對(duì)照管t0中,加入脲酶反應(yīng)緩沖液。在tf管中加入尿素儲(chǔ)備液(N終濃度為5mmol/L),20℃水浴下反應(yīng)1h,對(duì)照組t0管在水浴反應(yīng)前既沸水滅活處理。待樣品冷卻至室溫后,加入苯酚溶液,按照NH4+的方法在韓國(guó)Optizen2120UV分光光度計(jì)640nm波長(zhǎng)下檢測(cè)樣品。脲酶活性以μmolN·L-1·h-1表示。1.3anoa方法使用SPSS17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析:1)不同海灣間同一理化環(huán)境參數(shù)的差異性采用單因素方差分析方法(ANOVA);2)理化環(huán)境參數(shù)對(duì)浮游生物脲酶活性和浮游植物細(xì)胞密度的影響,采用stepwise回歸相關(guān)性分析法,其中北部海區(qū)甲藻細(xì)胞密度與各參數(shù)的stepwise分析無(wú)法建立回歸方程,進(jìn)而采用Enter回歸分析法;3)對(duì)不同理化環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析,并對(duì)5個(gè)海灣不同理化參數(shù)進(jìn)行聚類分析。2結(jié)果2.1海南海水營(yíng)養(yǎng)鹽污染海南島北部近岸海域(海口灣、澄邁灣)水溫顯著低于南部海域(陵水新村灣、大東海)(P<0.01)(表1)。各海灣鹽度范圍32.6—34.0,無(wú)明顯差異(P>0.05)。DIN表現(xiàn)出由南向北遞增,除個(gè)別海灣站位外,硝酸鹽含量占DIN含量的90%以上。海口灣富營(yíng)養(yǎng)化最為嚴(yán)重,其DIN、DIP含量明顯高于其它海灣(P<0.05)。各海灣海水的營(yíng)養(yǎng)鹽組成與結(jié)構(gòu)存在區(qū)別。?？跒澈痛髺|海水體中的DIP含量較高,達(dá)到二、三類標(biāo)準(zhǔn),大東海部分海區(qū)呈無(wú)機(jī)磷污染,該海區(qū)平均DIN/DIP為6,可能存在氮限制。在澄邁灣和文昌八門灣,絕大多數(shù)測(cè)站的DIP均低于檢出水平,有機(jī)磷源占據(jù)主要成分,達(dá)52%以上,海區(qū)存在潛在的磷脅迫或限制。對(duì)不同理化環(huán)境因子進(jìn)行主成分分析,提取到5個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為79.58%。5個(gè)主成分分別為DIN、DOP、DON、浮游植物細(xì)胞密度和鹽度,可見(jiàn)除外無(wú)機(jī)氮外,有機(jī)氮和有機(jī)磷濃度是海南省近岸海域較為重要的營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)。5個(gè)海灣的聚類分析表明,文昌八門灣和陵水新村灣的理化環(huán)境因子狀況相似程度最為接近,這可能與文昌八門灣和陵水新村灣同為海南省重要的養(yǎng)殖基地有關(guān)。2.2馬村港、陵水社會(huì)主義海域尿素、大東海及no3-平均濃度海南島近岸海域中尿素濃度平均值范圍為2.07—3.30μmol/L,占TDN含量的14%—38%,且尿素占TDN比例由北向東南方向升高(表2)。如圖2所示,各海灣較高水平的尿素濃度主要分布在排污口、養(yǎng)殖區(qū)或旅游區(qū)的近岸海域。尿素濃度較高的水體中發(fā)現(xiàn)甲藻細(xì)胞密度達(dá)到104—105個(gè)/L的水平,細(xì)胞密度高于一般水體。澄邁灣尿素平均濃度及占TDN比例均低于其它海灣,2號(hào)測(cè)站馬村港出海口的尿素濃度最高,為6.16μmol/L,在該站測(cè)站的甲藻細(xì)胞密度也最高,達(dá)1.65×104個(gè)/L。海口灣尿素平均濃度高于其它海灣。7號(hào)測(cè)站海甸溪至8號(hào)測(cè)站龍昆溝入?？诮逗Ｓ蚰蛩貪舛容^高,其中龍昆溝浮游植物細(xì)胞密度高達(dá)18.32×106個(gè)/L,同時(shí)發(fā)現(xiàn)甲藻細(xì)胞密度達(dá)到1.20×104個(gè)/L,其它站點(diǎn)的甲藻數(shù)量非常少。文昌八門灣尿素占TDN含量的11—38%,13號(hào)測(cè)站清瀾港通航水道和淇水灣近岸海域尿素濃度較高,范圍為3.23—3.34μmolN/L,甲藻細(xì)胞密度范圍為104—105個(gè)/L。陵水新村灣尿素濃度變化范圍0.62—5.28μmolN/L,其中新村灣養(yǎng)殖網(wǎng)箱附近的21號(hào)測(cè)站和24號(hào)測(cè)站出?？谕饽蛩貪舛茸罡摺?1號(hào)測(cè)站尿素濃度甚至高于硝酸鹽,占TDN含量49%,在該站,檢測(cè)到錐狀斯氏藻(Scrippsiellatrochoidea(Stein)Loeblich)密度達(dá)到104個(gè)/L,其它測(cè)站甲藻數(shù)量少。大東海尿素和NO3-平均濃度均為2.24μmolN/L,多個(gè)測(cè)站的尿素濃度高于硝酸鹽,尿素占TDN的比重高于其它海灣,大東海海域甲藻種類最多且平均密度也高于其它海灣。在26、27測(cè)站,尿素濃度占TDN的30%以上,這2個(gè)測(cè)站出現(xiàn)的甲藻種類較多,密度達(dá)到104—105個(gè)/L。2.3浮游生物細(xì)胞酶活性的變化春季,海南島浮游生物脲酶活性為0.30—0.84μmolN·L-1·h-1,?？跒匙罡?從北部向東、南部逐漸減少(表2,圖3)。在澄邁灣,3號(hào)測(cè)站東水港出海口脲酶活性較高,達(dá)到0.76μmol·L-1·h-1。?？跒除埨铣龊？陔迕富钚宰罡?達(dá)1.63μmolN·L-1·h-1。龍昆溝為?？谑猩钗鬯呐盼劭?近岸水體污染嚴(yán)重,無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽及尿素含量均為高值,浮游植物包括甲藻細(xì)胞密度均為海口灣最高。文昌八門灣脲酶活性最高點(diǎn)出現(xiàn)在13號(hào)測(cè)站,達(dá)0.86μmolN·L-1·h-1,13號(hào)站不僅尿素濃度較高,DOP濃度為該灣最高值,達(dá)0.78μmol/L。新村灣脲酶活性和浮游植物細(xì)胞密度均高于陵水灣,脲酶活性與細(xì)胞密度相關(guān)性顯著(R2=0.82,P<0.05)。新村灣養(yǎng)殖區(qū)水域的脲酶活性最高,21號(hào)測(cè)站TDP濃度、浮游植物包括甲藻細(xì)胞密度均為陵水新村灣最高。大東海紅沙灣附近水域脲酶活性范圍為0.54—1.16μmolN·L-1·h-1,其中30號(hào)測(cè)站尿素和DIP濃度高,DIP濃度達(dá)0.67μmol/L。理化環(huán)境參數(shù)對(duì)海南省浮游生物脲酶活性的回歸分析顯示,海南省浮游生物脲酶活性和細(xì)胞密度、鹽度和DIN的相關(guān)性顯著(R2=0.97,P<0.01),5個(gè)海灣的脲酶活性97%的變化由細(xì)胞密度、鹽度和DIN引起。北部海區(qū)(?？跒澈统芜~灣)脲酶活性94%的變化由浮游植物細(xì)胞密度決定,兩者的相關(guān)性極其顯著(R2=0.94,P<0.01)。在南部海區(qū)(陵水新村灣和大東海),鹽度和DOP濃度可解釋77%的脲酶活性變化(R2=0.77,P<0.05)。浮游生物脲酶活性的分布與尿素的情況類似,在排污口、養(yǎng)殖區(qū)或旅游區(qū)的近岸海域,脲酶活性水平較高,這些水體的氮、磷濃度或細(xì)胞密度的水平也較高。2.4優(yōu)勢(shì)種浮游植物種篩選海南島近岸海域浮游植物群落以硅藻為優(yōu)勢(shì)種,各海灣浮游植物平均細(xì)胞密度達(dá)到106個(gè)/L以上。文昌八門灣18號(hào)測(cè)站和陵水新村灣水體以擬菱形藻(Pseudo-nitzschiaspp.)為優(yōu)勢(shì)種,細(xì)胞密度達(dá)到106—108個(gè)/L;其它海灣的優(yōu)勢(shì)種主要為骨條藻(Skeletonemaspp.)和短角彎角藻(Eucampiazodiacus)。春季甲藻種類少細(xì)胞密度低,密度為104—105個(gè)/L的水體中其尿素和脲酶活性也處于較高水平。尿素可能在一定程度上促進(jìn)近岸海域甲藻的生長(zhǎng),對(duì)浮游植物種群結(jié)構(gòu)的變化存在影響。如表3所示,該海區(qū)浮游植物細(xì)胞密度主要由脲酶活性或尿素占TDN比例所決定,北部海灣甲藻細(xì)胞密度也主要受脲酶活性的影響。DON與甲藻細(xì)胞密度相關(guān)性顯著,對(duì)海南島甲藻的生長(zhǎng)繁殖的作用較為重要。由此可見(jiàn),海南浮游植物包括北部的甲藻可能更多的受到脲酶,進(jìn)而是尿素的影響,南部甲藻則主要受到NH4+和DON的影響。3浮游植物細(xì)胞密度海南島近岸海域以硝酸鹽為主要氮源,NH4+濃度較低,各海灣尿素平均濃度的范圍為2.07—3.30μmolN/L,占TDN含量的14%—38%,南部海域有些測(cè)站尿素濃度高于硝酸鹽。美國(guó)chesapeake灣2002年尿素濃度范圍為0.01—8.16μmolN/L,Florida灣2004年尿素濃度為0.36—1.7μmolN/L。而我國(guó)大部分海區(qū)尿素濃度的分布報(bào)道極少,僅查閱到2010年春季杭州灣鄰近海域尿素的平均值為1.14μmolN/L。根據(jù)研究者未發(fā)表數(shù)據(jù),大亞灣和珠江口近岸海域2011年春季尿素平均濃度分別為1.09和2.06μmolN/L,由此可見(jiàn)海南島近岸海域的尿素水平并不低。通過(guò)多元回歸分析,海南浮游植物細(xì)胞密度分布可能更多的受到浮游植物對(duì)尿素利用的脲酶活性的影響,表明尿素是該海域浮游植物生長(zhǎng)不可忽略的重要氮源。在過(guò)去的一段時(shí)間里,海洋生態(tài)學(xué)家關(guān)注無(wú)機(jī)形態(tài)的NO3-和NH4+的研究,忽略了尿素等有機(jī)氮源在海區(qū)中的重要性。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),一些有害藻華的發(fā)生,常與水體中高濃度的尿素聯(lián)系在一起。尿素不僅促進(jìn)有毒藻類的爆發(fā)性增長(zhǎng),甚至增強(qiáng)了某些有毒藻類的毒性。一般認(rèn)為,大洋中尿素濃度低于NO3-和NH4+,并且濃度不高于0.5μmolN/L,而當(dāng)其含量超過(guò)1μmolN/L時(shí),尿素就可能成為浮游植物重要的氮源。海南島近岸海域尿素的分布與其它氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的情況一致,高濃度的尿素主要分布在各海灣排污口、養(yǎng)殖區(qū)和旅游區(qū)的近岸海域。城市居民生活和工業(yè)污水、海水養(yǎng)殖區(qū)高含量有機(jī)物水體的排放,以及大量農(nóng)藥化肥使用后通過(guò)降雨或徑流等方式將大量的氮和磷帶入水體,造成海南內(nèi)海和近岸海域的污染。不同種類的浮游植物在利用尿素的能力上存在差異,甲藻單位細(xì)胞內(nèi)的脲酶活性高于硅藻等其它種類。海區(qū)中尿素濃度的升高,不僅為浮游植物提供了更多的氮源,刺激初級(jí)生產(chǎn)力,還可能有利于鞭毛藻(包括甲藻)而非硅藻的生長(zhǎng),浮游植物的種群結(jié)構(gòu)因此發(fā)生改變,從而引發(fā)種群的演替。硅藻細(xì)胞的大量繁殖與水體中NO3-含量成正相關(guān)性,而鞭毛藻(包括甲藻)更適應(yīng)低NO3-,高NH4+、尿素和DON的環(huán)境。在文昌八門灣出現(xiàn)高密度擬菱形藻的水體中,