2015, Vol. 36
二甲基硫(DMS)是海洋中最主要的挥发性生源硫化物，其在表层海水中处于高度过饱和状态，因此能以较大的通量穿越海-气界面进入到大气中，成为参与全球硫循环的重要物质. DMS一旦进入大气，会立即被OH、 NO3、 IO等自由基氧化生成二氧化硫(SO2)和甲磺酸(MSA)，再通过同相或异相反应生成非海盐硫酸盐(nss-SO2-4)，它们能对区域或全球气候以及酸雨的形成产生重要影响[1,2].
海洋中的β-二甲巯基丙酸内盐(DMSP)是DMS的主要前体物质，为藻类的一种硫代谢产物. 在藻类细胞中，DMSP可以在裂解酶作用下分解为DMS[3]. 此外，DMSP裂解酶也存在于细菌内，DMSP的微生物转化是海水中DMS产生的重要途径[4]. DMS一旦产生进入海水，可通过海-气扩散、 微生物消耗和光化学氧化3种途径去除. 微生物消耗和光化学氧化是表层海水中DMS去除的重要途径[5]，而二甲亚砜(DMSO)是DMS发生光化学氧化的一个重要产物[6]以及微生物消耗的主要产物[7]. 除此之外，DMSO还可以在某些厌氧细菌的作用下降解还原为DMS[8]. 因此，海水中DMSP和DMSO通过参与DMS生成与转化过程，在DMS的生物地球化学循环中发挥着重要的作用.
关于DMS和DMSP的研究，国内学者已经取得了一系列的成果[9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]，对海水中DMS和DMSP的浓度分布、 时空变化、 海-气通量、 影响因素以及海区内生物特征、 生态环境的关系进行了较为系统的研究[17, 18, 19]. 然而由于受分析方法限制，对于中国海域DMSO的研究数据在空间和时间尺度上仍十分有限. 文献[20, 21]对中国夏季黄渤海海域、 冬季东海海域DMSO的分布特征进行了研究. 此外，系统研究中国海域3种有机硫化物DMS、 DMSP和DMSO分布及相互关系的文献报道甚少. 因此，本研究选取典型的陆架海区-中国东海作为目标海域，分析了该海域3种相关硫化物DMS、 DMSP和DMSO的浓度分布规律，估算了DMS海-气通量，并重点探讨了3种硫化物之间的内在联系及其它们与环境因子之间的关系. 本工作将有助于深入了解海洋中3种有机硫化物的生物地球化学循环过程，从而丰富我国在海洋生源硫循环研究方面的内容.
1 材料与方法 1.1 样品采集和保存
于2013年6月22日~7月21日(夏季)随“科学三号”调查船对中国东海海域进行了取样调查(如图 1)，共包括7个断面50个站位. 表层海水样品使用12 L Niskin Rosette采水器进行采集，现场表层海水温度、 盐度和水深由直读式温盐深仪CTD装置获得.
 | 图 1 2013年夏季中国东海调查站位Fig. 1 Location of sampling stations in the East China Sea in June 2013 |
由于DMS易挥发且易受生物活动的影响，为减少误差DMS样品在现场进行测定. DMSP和DMSO样品在现场进行处理后0~4℃避光保存，带回陆上实验室进行测定. 采集的水样经Whatman GF/F玻璃纤维滤膜(直径47 mm)过滤后取4 mL滤液转移至盛有40 μL 50%浓硫酸的样品瓶中，即为DMSPd样品，其中DMS在浓硫酸作用下被氧化，从而排除了原有DMS的干扰. 另外，取10 mL未经过滤的海水装入盛有100 μL 50%浓硫酸的样品瓶中，即得到DMSPt样品. 对于DMSO样品，取40 mL海水样品用内置Whatman GF/F玻璃纤维滤膜(直径47 mm)的Nalgene过滤器重力过滤，滤液和滤膜分别装入盛有0.2 mL 25% HCl的42 mL玻璃样品瓶中，装有滤膜的样品瓶加入40 mL高纯水，拧盖密封，分别用来测定DMSOd及DMSOp. 然而，Kiene等[22]的研究表明大体积海水样品(5~50 mL)进行重力过滤时会导致颗粒物释放DMSPd，因此，本研究使用大体积海水样品进行重力过滤可能会过高估计DMSOd的浓度.
此外，对于海水中叶绿素a(Chl-a)含量的测定，取300 mL海水样品用Whatman GF/F玻璃纤维滤膜过滤(压力低于15 kPa)，滤膜包裹于锡纸内，冷冻保存. 分析时将滤膜置于90%(体积分数)丙酮水溶液中暗处萃取24 h，离心，取上清液采用荧光分光光度法[23]进行测定.
1.2 样品分析对于DMS样品，采用冷阱吹扫-捕集气相色谱法进行现场测定[24]. 即用注射器量取2 mL海水样品注入密封好的小样品瓶内，在高纯氮气的吹扫下将其中的DMS吹出，流经Nafion干燥管(美国，Perma Pure)干燥后，富集于浸在液氮中的聚四氟乙烯捕集管内，然后将捕集管浸入热水内加热解析，用高纯氮气将富集的DMS送入GC-14B气相色谱仪(日本，Shimadzu)火焰光度检测器(FPD)进行检测. 该测定方法的相对标准偏差<5%，最低检出限为0.2 nmol ·L-1 DMS[19].
DMSP在强碱作用下(pH≥13)完全转化为DMS和丙烯酸，通过测定DMS的含量可以间接得到DMSP含量. 取2 mL海水样品注入样品瓶内，加入200 μL 10 mol ·L-1 KOH溶液，密封后避光冷藏保存24 h，DMSP则完全碱解为DMS，分析其中的DMS，按1 ∶1比例计算出DMSP的含量. 分别获得DMSPt和DMSPd含量后，两者相减即得DMSPp的含量.
采用NaBH4还原法测定海水中DMSO含量[25]，即将DMSO还原为DMS进行测定. 由于海水中固有的DMS会对测定产生干扰，此外DMSP也可被NaBH4还原为DMS从而影响测定，因此在测定DMSO之前先加入2 mL 10 mol ·L-1 NaOH溶液将样品中的DMSP碱解为DMS，然后用高纯氮气吹扫30 min排除干扰. 将处理后的样品调pH至4左右，加入0.12 g NaBH4 反应15 min，然后加入1 mL 5% HCl 静置4 min，最后测定其中的DMS含量，以此获得DMSO含量.
2 结果与讨论 2.1 DMS、 DMSP和DMSO的水平分布特征夏季东海表层海水中Chl-a的平均浓度为0.49 μg ·L-1(0.032~2.50 μg ·L-1). DH4-1站位出现Chl-a浓度最大值，可能是由于此处的上升流将深层的营养盐带至表层使得浮游植物生长旺盛[26]. Chl-a浓度最小值出现在DH5-9站位，总体分布上呈现由近岸到远海逐渐降低的趋势.
在所调查海域，DMS的浓度在0.98~11.61 nmol ·L-1之间，平均浓度为4.70 nmol ·L-1，这与Yang等[27]对夏季东海和黄海的调查结果相近(5.64 nmol ·L-1). 与DMS相比，DMSP浓度变化范围更大，DMSPd和DMSPp浓度平均值分别为7.00(1.95~24.86)nmol ·L-1和27.83(3.24~78.88)nmol ·L-1.
由图 2可以看出，DMS、 DMSPd和DMSPp呈现出相似的分布趋势，在生产力较高的近岸海域三者的浓度比较高，而在远海海域浓度相对较低. 此外，DMS和DMSP浓度最高值都出现在浙江省中南部近岸海域附近，这可能与此处海域位于上升流区有关[26]. 总体上，DMS、 DMSP浓度的分布趋势与Chl-a大致相似，浓度的变化显示出近岸人为活动对DMS、 DMSP生物生产的影响. 例如，DMS的最小值出现在DH5-1站位，此处Chl-a浓度最低(0.032 μg ·L-1)，并且DMSPd浓度最大值出现在Chl-a极大值(2.50 μg ·L-1)站位DH4-1. 同样DMSPp和Chl-a在DH3-1站位的浓度也比较高，分别为75.77 nmol ·L-1和2.38 μg ·L-1.
 | 图 2 中国东海表层海水中Chl-a、 DMS、 DMSPd、 DMSPp、 DMSOd、 DMSOp、 DMSPp/Chl-a和DMSOp/Chl-a的水平分布Fig. 2 Horizontal distribution of Chl-a,DMS,DMSPd,DMSPp,DMSOd,DMSOp,DMSPp/Chl-a and DMSOp/Chl-a in the surface seawater of the East China Sea |
调查海域内DMSOd浓度变化范围较DMSOp要大，其浓度分别为13.66(1.15~81.94)nmol ·L-1和10.78(0.71~43.96)nmol ·L-1，均低于2009年冬季该海域的调查结果[21]，这可能是由于夏季较冬季而言微生物活动比较旺盛，更多的DMSO被利用或还原，从而导致海水中DMSO浓度降低.
水平分布上，DMSOd与DMSOp整体呈现近岸高、 远海低的趋势，表现出人为活动对其分布的重要影响. 此外，从图 2可以看出，DMSOp在29°N、 122°E附近海域出现的高值区与Chl-a高值区相吻合，同时DMSOp浓度最大值出现在Chl-a浓度值也最大的DH4-1站位，而在DMSOp浓度最小的DH5-7站位Chl-a浓度也较低(0.19 μg ·L-1)，这表现出浮游植物的直接生产对该海域表层海水中DMSOp浓度有重要贡献.
2.2 海水中3种有机硫化物间的相互关系从调查结果可以看出，3种溶解态有机硫化物中DMSOd浓度最高，DMSPd浓度次之，而DMS浓度最低，这可能是由DMS复杂快速的去除途径如微生物降解、 光化学氧化和海-气扩散等所致. DMSOp与DMSPp具有类似的生理功能，它们都可以由浮游植物体内直接合成，然而DMSPp浓度明显高于DMSOp浓度，DMSPp/DMSOp的比值范围介于1.24~44.56之间，平均值为11.14，该结果表明夏季东海浮游植物产生的DMSP要高于DMSO，这与Simó等[28]研究结果一致，他们发现DMSPp浓度值是DMSOp浓度值的约5倍. 此外，室内培养实验也表明多种浮游植物产生的DMSP量都高于DMSO的量[29]. 然而，Yang等[21]在冬季东海海域得到的DMSPp/DMSOp比值仅为0.270. 这种比值的差异性可能是由复杂的环境因素(如营养盐、 温度)或特定的藻种引起的.
浮游植物细胞可以自然分泌产生DMSP，DMSP进入海水中后被细菌等分解可产生DMS，此外，DMSP也可以在藻类细胞内被裂解酶分解为DMS[3]. 在所调查海域，DMSPd和DMS在海水表层中的浓度分布规律相似，线性回归结果也表明二者之间存在一定相关性(见表 1)，这表明调查海域DMS主要来源于DMSPd的微生物分解.
 | 表 1 东海表层海水中DMS、 DMSPd、 DMSPp、 DMSOd、 DMSOp和Chl-a间的相关关系1) Table 1 Relationships between DMS,DMSPd,DMSPp,DMSOd,DMSOp and Chl-a in the surface water of the East China Sea |
此外，研究表明海水中的DMSOd主要有3种来源: DMS的光化学氧化、 微生物氧化以及浮游植物生产[30]. 将本航次测得的DMSOd浓度分别与DMS和DMSOp浓度进行线性拟合(见表 1)，发现DMSOd和DMS浓度间有一定相关性，而DMSOd和DMSOp浓度之间不存在相关性，说明了夏季中国东海表层海水中DMS的主要来源不是藻类细胞的生产释放，而是来自于DMS的光化学氧化和微生物氧化.
2.3 DMS、 DMSP和DMSO与Chl-a相关性分析DMS、 DMSP和DMSO都可来源于浮游植物的直接生产，而Chl-a可以在一定程度上反映浮游植物的生物量. 因此，将调查海域的DMS、 DMSP和DMSO浓度与Chl-a值分别进行相关性分析，发现DMS、 DMSPd和DMSOp与Chl-a间均存在显著的相关性. 然而Yang等[21]对冬季东海海域的调查结果表明DMSOp和Chl-a间并不存在明显的相关性，这种结果的差异性主要是由于不同季节浮游植物种群组成不同，而不同种类的浮游植物对Chl-a的贡献不同，并且生产DMS、 DMSP和DMSO的能力也存在很大差异. DMS、 DMSPd和DMSOp与Chl-a之间的相关性表明浮游植物生物量在控制夏季中国东海海水中DMS、 DMSP和DMSO浓度分布方面发挥着重要作用.
DMS、 DMSP和DMSO与Chl-a的浓度比值可用来估算不同海区浮游植物现存量生产DMS、 DMSP和DMSO的能力. 不同海区的浮游植物优势藻种存在很大差别，高DMS/Chl-a、 DMSP/Chl-a和DMSO/Chl-a比值通常出现在甲藻、 金藻等占优势地位的海域，而低DMS/Chl-a、 DMSP/Chl-a和DMSO/Chl-a比值出现在硅藻为优势种的海区. 本航次所调查的DMS/Chl-a比值为19.57 mmol ·g-1，此结果与夏季马尾藻海区研究结果相近(20 mmol ·g-1)[31]，但明显低于夏季欧洲陆架边缘海区[32]和地中海西部海区[33]. 据报道[27,34]，夏季东海海域浮游植物中硅藻占到70%~80%以上，为海区内的优势藻种. 由于硅藻为DMS低产藻种，导致调查海域内DMS/Chl-a值较低.
夏季东海表层海水中DMS/Chl-a比值高于2007年冬季调查结果(5.82 mmol ·g-1)[18]; DMSPp/Chl-a比值为95.51 mmol ·g-1,高于2009年冬季调查结果(35.79 mmol ·g-1)[27]; DMSOp/Chl-a比值为54.56 mmol ·g-1，高于2010年秋季调查结果(23.3 mmol ·g-1)[35]，这表明夏季东海海域浮游植物生产DMS、 DMSP和DMSO的能力高于秋、 冬季. 这主要与海区内浮游植物丰度和群落结构的季节变化有关，一方面随着温度升高甲藻比例不断增加，另一方面夏季优势藻种细胞丰度相比秋、 冬季而言较高. 此外，DMSPp/Chl-a与DMSOp/Chl-a比值均呈现近岸低、 远海高的水平分布趋势(如图 2). 这可能是因为由近岸向外海随着温度和盐度的升高，适于低盐条件生长的硅藻比例下降，而耐高盐、 暖水性的甲藻比例不断升高，从而导致DMSPp/Chl-a和DMSOp/Chl-a比值不断增加.
2.4 DMS海-气交换通量为了评价海洋中DMS在全球硫循环中所起的重要作用，需要在区域和全球范围内定量估算DMS的海-气通量. 目前一般采用Liss等[36]建立的滞膜模型进行计算，其公式为:
海-气传输速率k有多种计算方法[36, 37, 38]，本研究采用目前国际上普遍使用的N2000公式计算k值[39]，其公式为:
根据上述公式计算出的夏季东海海域DMS海-气通量为0.62~33.98 μmol ·(m2 ·d)-1，平均值为9.71 μmol ·(m2 ·d)-1. DMS海-气通量最大值出现在DH3-3站位，此处风速(9.3 m ·s-1)最大，DMS浓度(6.63 nmol ·L-1)也相对较高; 最小值出现在DH7-8站位，该处风速(1.9 m ·s-1)和DMS浓度(1.90 nmol ·L-1)都相对较低，海水中DMS浓度与风速共同影响DMS海-气通量.
为了便于与往年数据进行比较，使用LM86公式重新计算了夏季东海海域DMS海-气通量，结果为6.79 μmol ·(m2 ·d)-1，这与Yang等[27]对夏季东海和黄海的调查结果相接近(7.45 μmol ·(m2 ·d)-1)，但明显高于冬季调查结果[3.19 μmol ·(m2 ·d)-1]. 尽管冬季风速(7.0 m ·s-1)高于夏季风速(5.3 m ·s-1)，但冬季海水中DMS浓度(1.79 nmol ·L-1)明显低于夏季DMS浓度(4.70 nmol ·L-1)，从而导致冬季DMS海-气通量较低. 此外，与2000年Yang等[41]对相同季节相同海域的调查结果[3.4 μmol ·(m2 ·d)-1]相比，DMS海-气通量有一定程度的增加. 由于两次调查期间平均风速都在5.3 m ·s-1左右，相差不大，因此通量的差异主要是由本次调查期间海水中较高的DMS浓度所致. 海水中DMS浓度的增加可以直接导致DMS海-气通量的增加，从而对全球环境和气候产生影响，而陆架海区由于其较高生产力水平可以贡献较高的DMS浓度，因此它们可能是全球DMS排放的重要来源.
3 结论
(1)夏季中国东海表层海水中3种生源有机硫化物的浓度大小顺序依次为DMSPp>DMSOd>DMSOp>DMSPd>DMS，其中DMSOd为海水中含量最高的溶解态生源有机硫化物.
(2)东海海域DMS、 DMSP和DMSO均呈现出与Chl-a相似的水平分布趋势，即浓度由近岸到远海逐渐降低. 此外，DMS、 DMSPd和DMSOp浓度与Chl-a浓度都存在显著的相关性，表明浮游植物生物量是影响海区内有机硫化物生产分布的重要因素.
(3)夏季东海表层海水中DMS和DMSPd间存在一定相关性，DMSOd与DMS间存在一定相关关系，表明DMSPd降解是海水中DMS的主要来源，而DMSOd主要来源于DMS的光氧化和微生物氧化.
(4)夏季东海表层海水中DMS含量较高，从而贡献出较大的DMS海-气通量，进一步说明陆架海区是全球大气DMS的重要来源.
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