光照和硝酸鹽濃度對東海原甲藻和三角褐指藻釋放揮發性鹵代烴的影響

倪潔，劉珊珊，陳妍，楊桂朋,3，何真*

( 1. 中國海洋大學 化學化工學院，山東 青島 266100；2. 海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100；3. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋生態與環境科學功能實驗室，山東 青島 266237)

1 引言

揮發性鹵代烴（Volatile Halocarbons, VHCs）是大氣中一類重要的痕量溫室氣體，主要包括鹵代甲烷、鹵代乙烷及鹵代乙烯等，在全球氣候變化中扮演著重要的角色。一方面，大氣中的VHCs 在紫外光的作用下會發生光化學分解產生鹵素自由基，進而與大氣中的臭氧反應，破壞臭氧層[1]。研究表明，盡管平流層中溴的濃度低于氯，但是溴對臭氧的破壞能力大于氯。就單個原子而言，溴原子對臭氧的破壞效率是氯原子的10～100 倍[2]。同時，VHCs 產生的鹵素自由基還可以通過反應影響大氣中其他溫室氣體（如CH4和N2O）的濃度，從而直接或間接的影響全球氣候變化。另一方面VHCs 與其他溫室氣體一樣，可以吸收從地表產生的紅外光輻射使大氣升溫，從而產生溫室效應[3]。據文獻報道，揮發性鹵代烴（VHCs）、甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是僅次于CO2的溫室氣體，這3 種溫室氣體產生的溫室效應約占總溫室效應的40%[4]。

海洋中的VHCs 通過海?氣交換作用進入大氣。研究表明，海洋中釋放的短壽命VHCs，如溴仿（CHBr3）、二溴甲烷（CH2Br2）和一氯二溴甲烷（CHBr2Cl）等每年能夠向平流層輸送5～5.2 pptv 的Br，其中僅CHBr3每年就能向平流層貢獻0.5～1.8 pptv 的Br[5]。碘甲烷（CH3I）是海洋向大氣中輸送的含量最高的含碘化合物[6]。研究發現，海洋中的短壽命VHCs 主要由海洋生物產生釋放。Nightingale 等[7]通過對蘇格蘭地區常見的11 種大型海藻進行實驗室培養發現，這些藻類可以產生釋放氯仿（CHCl3）、CHBr2Cl 和一溴二氯甲烷（CHBrCl2）。除了大型海藻外，海洋中廣泛分布的微藻、浮游動物、細菌和真菌，尤其是微藻（浮游植物）也能產生釋放VHCs，如CH3I、CH2Br2、CHBr2Cl 和三氯乙烷（C2HCl3）等[8–9]。由于浮游植物數量多且分布廣泛，其對生源VHCs 的貢獻甚至要大于大型海藻。以溴甲烷（CH3Br）為例，微藻每年產生的CH3Br要比大型海藻高約兩個數量級[10]。有學者通過測定大型海藻的CH3I 等甲基鹵化物的釋放速率，估算得到大型海藻對全球甲基鹵化物的貢獻不足1%；同時通過實驗室培養實驗，發現海洋微藻能夠產生釋放較多的甲基鹵化物[11]。

海洋微藻生長及其釋放VHCs 受到各種環境因素的影響，如光照、溫度及營養鹽濃度等[12–15]。Hughes和Sun[16]的研究結果表明，海洋微藻在較高的光照強度下VHCs 的釋放速率較高。而Scarratt 和Moore[17]通過培養實驗發現海洋微藻在較低和較高的光照強度下VHCs 的釋放量并無顯著的差異。另外，營養鹽的濃度會影響海洋微藻的生長及其釋放VHCs。Smythe-Wright 等[18]發現，在磷酸鹽濃度一定的情況下，將氮磷比從16∶1 提高到48∶1，海洋微藻的CH3I 釋放量提高了60%。Roy[19]通過對阿拉伯海中部和東部沿海水域的現場調查，指出甲藻不是高濃度CHCl3、CH2Br2和CHBr3的主要貢獻者。國際上許多學者開展了關于三角褐指藻釋放VHCs 的研究，發現三角褐指藻能夠產生CH3I、CH3Br 和CH3Cl 等多種VHCs[8]，然而有關環境因素（特別是光照強度和硝酸鹽濃度）影響其VHCs 釋放過程的研究還很缺乏。近年來，人類活動增加了海洋中營養鹽的含量，我國近岸海域赤潮的發生頻率、波及范圍以及危害程度也呈上升趨勢。東海原甲藻作為我國最為高發的赤潮藻種，已經成為該領域研究的熱點。另外，研究表明海洋硅藻貢獻全球初級生產力的20%左右[20]，而三角褐指藻作為一種重要的海洋硅藻，具有適應性強、易于培養等特點，并且由于其全基因組已完成測序[21]，已被廣泛應用于藻類生理、生態研究領域。因而開展有關光照和硝酸鹽濃度影響東海原甲藻和三角褐指藻的VHCs 釋放過程的研究具有重要意義。本文選取東海原甲藻和三角褐指藻進行室內受控無菌培養實驗，探究在不同光照強度及不同硝酸鹽濃度下兩種微藻的生長狀況，并分析了在不同條件下兩種微藻對CH3I、CH2Br2、CHBr2Cl和C2HCl3的釋放量，初步了解了海洋微藻種群密度對VHCs 生產的影響規律，為闡明VHCs 濃度變化與浮游植物種群的關系提供了理論依據。

2 材料與方法

2.1 藻類培養

本次選取了兩種常見海洋微藻—東海原甲藻和三角褐指藻進行無菌單藻種培養。培養所用微藻取自中國海洋大學海洋污染生態化學實驗室。取孔徑為0.22 μm 的醋酸纖維濾膜過濾后的東海海水作為培養基，按照f/2 配方配制培養液后置于如圖1 所示的5 L培養瓶中，其中探究硝酸鹽濃度條件的培養瓶需按照實驗設計添加不同濃度的硝酸鹽，其余元素與f/2 培養液相同。隨后將培養瓶置于120℃的高溫下滅菌20 min 后，通入高純空氣（含0.1% CO2）鼓泡36 h 除去海水中原有的VHCs。接下來接種10 mL 藻類于培養液中，容器密封后繼續進行鼓泡吹掃。本實驗設置3 個 光 照 強 度 條 件（20 μmol/（m2·s）、70 μmol/（m2·s）、140 μmol/（m2·s））及4 種 硝 酸 鹽 濃 度 條 件（1 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、50 mg/L），為減小實驗誤差，每組實驗設置2 組平行樣。培養過程中設置光暗周期為12 h∶12 h，培養溫度（20 ± 0.5）°C，光源為白色冷熒光燈管。為防止藻類沉淀，需每天對培養瓶進行2～3 次的充分搖蕩。本實驗所用的培養儀器在使用前均需要用10%的鹽酸浸泡至少24 h，然后用高純水洗凈，高壓滅菌。將一個不接種的培養液作為空白實驗對比。

圖1 實驗室微藻培養示意圖Fig. 1 Schematic diagram of microalgae culture in laboratory

2.2 分析方法

培養實驗中VHCs 樣品取樣時間為隔天1 次，上午9 點進行取樣。用氣密性注射器取60 mL 培養液，用孔徑0.7 μm 的GF/F 玻璃纖維濾膜進行過濾，將濾液注入吹掃氣提室后采用吹掃?捕集氣相色譜法進行VHCs 的含量測定[22]。上述過濾所得濾膜用90%的丙酮萃取后，采用熒光法測定其葉綠素含量，具體方法參照文獻[23]。為避免周圍環境大氣中VHCs 對培養過程產生任何可能的污染，取樣過程中持續供應低氣流高純空氣（含0.1% CO2），且在超凈工作臺進行。為減小培養過程中藻類生長環境變化對VHCs釋放的影響，實驗結束后所剩培養液應不少于2.5 L。

2.3 數據分析

葉綠素a（Chla）濃度、VHCs 釋放量（平行實驗數據的平均值）與培養時間的非線性擬合使用Origin 8.0 軟件。另外，本研究用皮爾遜相關系數分析了東海原甲藻和三角褐指藻的VHCs 釋放量與Chla濃度之間的相關關系。數據的相關性分析使用SPSS 22.0 軟件。

3 結果與討論

3.1 光照強度對東海原甲藻和三角褐指藻生長的影響

圖2 不同光照條件下東海原甲藻（a）和三角褐指藻（b）培養液中葉綠素a 濃度變化Fig. 2 The concentrations of Chl a in the cultures of Prorocentrum donghaiense (a) and Phaeodactylum tricornutum (b) at different light illumination conditions

東海原甲藻前期生長緩慢，其緩慢生長期持續時間長達半個月之久，緩慢生長期內3 種光照強度下東海原甲藻生物量相差不大（圖2a）。進入指數生長期后，70 μmol/（m2·s）以及140 μmol/（m2·s）兩種高光照強度下東海原甲藻生物量較高，且光子通量為70 μmol/（m2·s）的光照條件下的東海原甲藻首先達到生物量最大值并進入穩定期（圖2a）。對比來看，三角褐指藻則總體上能較快地進入指數生長期，并且在第6～8 d 前后進入穩定期。光子通量為70 μmol/（m2·s）時其生物量首先達到最大值，且此時生物量最大，而光子通量為140 μmol/（m2·s）時三角褐指藻的生物量最?。▓D2b）。

上述實驗結果表明，光照強度的變化對東海原甲藻和三角褐指藻的生長有一定的影響。對于東海原甲藻來說，光照強度會影響其生長周期，中等強度的光照能使其更快的達到生物量最大值并進入穩定期，這與其他研究者關于光照強度對東海原甲藻生長的影響得到的結論相似[24]。光照強度的變化對三角褐指藻的生長周期沒有影響，較低光照條件更有利于其生長，而光照強度為140 μmol/（m2·s）時會在一定程度抑制其生長，這與臧正蓉等[25]的研究結果相近。

3.2 光照強度對東海原甲藻和三角褐指藻釋放VHCs的影響

3.2.1 光照強度對東海原甲藻和三角褐指藻釋放CH3I 的影響

東海原甲藻和三角褐指藻在3 種光照條件下CH3I 釋放量隨培養時間變化如圖3 所示，3 種光照條件下兩種微藻對CH3I 有著相當高的釋放量，且釋放量表現為三角褐指藻大于東海原甲藻，但是不同光照條件下的釋放量不同。另外由圖3a 可知，東海原甲藻的CH3I 釋放量隨時間推移呈鋸齒狀變化：在東海原甲藻的培養前期（15 d 前后），微藻生長緩慢，但CH3I 的釋放量呈上升趨勢，并且隨著光照強度的增加其上升趨勢也更加顯著。東海原甲藻進入指數生長期后，生物量大幅增加，此時CH3I 的釋放量繼續呈現上升趨勢，光照強度為70 μmol/（m2·s）時其生物量最大，CH3I 釋放量的上升趨勢也最為顯著。在三角褐指藻培養前期，CH3I 的釋放量與Chla濃度變化趨勢相近，但穩定生長期后，CH3I 的釋放量開始逐漸下降。值得注意的是，140 μmol/（m2·s）的光照強度會在一定程度上抑制三角褐指藻的生長，但是在此條件下CH3I 的釋放量高于其他光照強度下的釋放量（圖3b）。

圖3 不同光照條件下東海原甲藻（a）和三角褐指藻（b）CH3I 釋放量Fig. 3 The release of CH3I from Prorocentrum donghaiense (a) and Phaeodactylum tricornutum (b) at different light illumination conditions

上述實驗結果表明，東海原甲藻和三角褐指藻釋放CH3I 且釋放量均受到光照的影響，在一定范圍內，光照強度越大，兩種微藻的CH3I 釋放量也越大。這與文獻報道的較高光照強度會促進微藻釋放VHCs的結 論 一 致[26]。如 上 所 述，強光（140 μmol/（m2·s））抑制兩種微藻的生物量，但是卻促進CH3I 的釋放。Moore 和Zafiriou[27]研究表明，海水中存在一定量的腐殖質等有機物，它們在光合作用下會產生甲基自由基，當海水中有足夠的碘時表層海水中CH3I 可以通過光化學途徑生成。因此高光照強度下CH3I 濃度的增加可能部分來源于光化學生成；三角褐指藻生長后期CH3I 的釋放量減少可能是由培養環境中合成CH3I 的自由基減少造成的。同時，這種光合成機制也可以用來解釋在東海原甲藻的培養前期，其CH3I釋放量隨光照強度的增加呈上升趨勢。另外海洋微藻的VHCs 釋放速率與細胞生長階段有關，其在指數生長階段的VHCs 釋放速率較高[9]，此時CH3I 釋放量呈上升趨勢。結合上述分析可知，由于海洋微藻產生釋放VHCs 的過程十分復雜，且受多種因素制約，因而實驗結果呈現出復雜的變化趨勢。關于微藻釋放VHCs 的過程有待于進一步研究。

3.2.2 光照強度對東海原甲藻和三角褐指藻釋放CH2Br2、CHBr2Cl 和C2HCl3的影響

東海原甲藻和三角褐指藻在3 種光照條件下CH2Br2、CHBr2Cl 和C2HCl3的釋放量隨培養時間變化如圖4 所示，由圖可以看出，在實驗中產生的CH2Br2、CHBr2Cl 和C2HCl3濃度相比于CH3I 濃度要低得多。培養周期內東海原甲藻的CH2Br2釋放量整體呈上升趨勢，并且隨著東海原甲藻進入指數生長期，CH2Br2釋放量也有顯著的增加（圖4a）。70 μmol/（m2·s）的光照條件下，東海原甲藻生長情況最好，此條件下CH2Br2的釋放量也最多。三角褐指藻的CH2Br2釋放量在培養初期隨著生物量逐漸增加，且光照強度越強三角褐指藻CH2Br2的釋放量越高（圖4d），但是總體而言，東海原甲藻和三角褐指藻對CH2Br2釋放量很少，且受光照強度影響并不顯著。兩種微藻在不同光照強度下的CHBr2Cl 和C2HCl3釋放量隨時間變化趨勢相近，且其釋放量也無明顯差異。

上述實驗結果表明，東海原甲藻和三角褐指藻的CH2Br2、CHBr2Cl 和C2HCl3釋放量與光照條件的關聯不大，這與Scarratt 和Moore[17]等通過培養實驗得到的結論相似。而Hughes 和Sun[16]的研究結果表明，較高的光照強度會提高海洋微藻的VHCs 釋放速率。分析造成實驗結果不同的原因，我們可以推斷光照強度對微藻釋放VHCs 的影響與藻的種類及其釋放的VHCs種類有關。研究表明即使是同種藻類對不同種類的VHCs 的生產釋放也會存在一定的差異[9,16]。這是由于同種VHCs 在海水中有多種合成機制，以CHBr2Cl為例，研究表明多種熱帶海洋微藻能夠產生釋放CHBr2Cl[8]，而其他研究者還發現，CHBr2Cl 還可以由海洋中的CHBr3通過取代反應生成[28]。另外，根據兩種微藻的CH3I、CH2Br2、CHBr2Cl 和C2HCl3釋放量之間的差異以及VHCs 釋放量與Chla之間的相關關系（表1，表2），我們可以推斷東海原甲藻和三角褐指藻主要生產釋放CH3I，而CH2Br2、CHBr2Cl 和C2HCl3并不是東海原甲藻和三角褐指藻的主要產物。而Lim等[9]通過培養實驗發現，硅藻（Amphorasp.）、藍藻（Synechococcussp.）和綠藻（Parachlorellasp.）都能夠產生CH2Br2和CHBr2Cl 等短壽命VHCs，這表明海洋微藻釋放VHCs 具有物種依賴性。

圖4 不同光照強度下東海原甲藻（a, b, c）和三角褐指藻（d, e, f）的CH2Br2，CHBr2Cl 和C2HCl3 釋放量Fig. 4 The release of CH2Br2, CHBr2Cl and C2HCl3 from Prorocentrum donghaiense (a, b, c) and Phaeodactylum tricornutum(d, e, f) at different light illumination conditions

表1 東海原甲藻的VHCs 釋放量和Chl a 濃度的相關性Table 1 Correlation analysis between the Chl a concentrations and the amounts of VHCs released by Prorocentrum donghaiense

表2 三角褐指藻的VHCs 釋放量和Chl a 濃度的相關性Table 2 Correlation analysis between the Chl a concentrations and the amounts of VHCs released by Phaeodactylum tricornutum

3.3 硝酸鹽濃度對東海原甲藻和三角褐指藻生長的影響

不同硝酸鹽濃度對東海原甲藻和三角褐指藻生長的影響如圖5 所示。東海原甲藻在低濃度硝酸鹽環境（1 mg/L、5 mg/L）下相對較早地進入穩定生長期(15 d 前后），而在高濃度硝酸鹽環境(10 mg/L、50 mg/L)中其指數生長期較長，因而進入穩定生長期的時間也較晚，且此時的生物量要高于低濃度硝酸鹽環境中的生物量（圖5a）。同樣地，三角褐指藻在較低濃度硝酸鹽環境下（1 mg/L、5 mg/L）也會更早進入穩定生長期（5 d 前后），之后出現不同程度的衰減，低濃度（1 mg/L、5 mg/L）下衰減狀況較為明顯。而50 mg/L 硝酸鹽濃度環境下相對稍晚達到穩定生長期（10 d 前后），之后保持穩定生長狀態，衰減不明顯（圖5b）。

上述實驗結果表明，在一定范圍內，硝酸鹽濃度越高，越有利于東海原甲藻和三角褐指藻的生長。大量研究表明，海洋微藻能夠利用不同形式的氮源來促進自身的生長，硝態氮就是其中的一種形式。硝酸鹽濃度不僅會影響海洋微藻的生物量，還會在一定程度上影響微藻的生長周期，這與其他研究者開展的關于硝酸鹽濃度影響海洋微藻生長的研究所得到的結論基本一致[29]。王金花等[30]的研究發現，硝酸鹽對東海原甲藻的生長有一定的促進作用。Chen 等[31]的研究表明，在一定的濃度范圍內，三角褐指藻細胞的生長隨氮含量的增加而增加。

3.4 硝酸鹽濃度對東海原甲藻和三角褐指藻釋放VHCs 的影響

3.4.1 硝酸鹽濃度對東海原甲藻和三角褐指藻釋放CH3I 的影響

東海原甲藻和三角褐指藻在4 種硝酸鹽條件下CH3I 釋放量隨培養時間變化如圖6 所示，硝酸鹽濃度的變化對東海原甲藻釋放CH3I 有一定影響，1 mg/L的硝酸鹽環境下其釋放量首先達到峰值，而硝酸鹽濃度為10 mg/L 時其釋放量最晚達到峰值。三角褐指藻對CH3I 的釋放同樣受硝酸鹽濃度的影響，三角褐指藻在50 mg/L 硝酸鹽環境下最晚達到穩定值，且此條件下生物量最大，但是其CH3I 釋放量在10 mg/L 的硝酸鹽環境下最晚達到峰值，且釋放量大于其他3 種條件下的釋放量。

圖5 不同硝酸鹽濃度下東海原甲藻（a）和三角褐指藻（b）葉綠素a 濃度變化Fig. 5 The concentrations of Chl a in the cultures of Prorocentrum donghaiense (a) and Phaeodactylum tricornutum (b) at different nitrate concentrations

圖6 不同硝酸鹽濃度下東海原甲藻（a）和三角褐指藻（b）CH3I 釋放量Fig. 6 The release of CH3I from Prorocentrum donghaiense (a) and Phaeodactylum tricornutum (b) at different nitrate concentrations

上述實驗結果表明，硝酸鹽濃度會影響東海原甲藻和三角褐指藻釋放CH3I。一方面，隨著硝酸鹽濃度增加，兩種微藻的生物量不斷增加，其CH3I 釋放量也逐漸呈上升趨勢，表明硝酸鹽可以促進海洋微藻的生長[30–31]，進而影響其CH3I 釋放量。這與Hughes 和Sun[16]關于硝酸鹽對海洋微藻釋放VHCs 的影響得到的結論相一致。另一方面，生物量最大的硝酸鹽環境下，東海原甲藻和三角褐指藻并未達到其CH3I 釋放量的最大值，因此有理由推測，硝酸鹽濃度的變化會直接影響兩種微藻對CH3I 的釋放，過高或過低的硝酸鹽濃度都會在一定程度上影響其CH3I 釋放過程，但是其具體的作用機制還有待進一步研究。另外，結合圖3 不同光照條件下兩種海洋微藻對CH3I 的釋放情況分析，很明顯可以看出，在不同的光照或硝酸鹽條件下，三角褐指藻（硅藻）的CH3I 釋放量始終大于東海原甲藻（甲藻）的CH3I 釋放量。已有的研究表明硅藻在鹵甲烷的生產中發揮著十分重要的作用[32–33]。有學者通過培養實驗發現，硅藻的CH3I釋放速率大于藍藻和綠藻的釋放速率[9]。因此我們有理由推測相較于甲藻而言，海洋中的硅藻貢獻了更多的CH3I，但是由于海洋微藻對VHCs 的釋放有一定的物種依賴性，需要進一步的培養實驗證實這一推測。

3.4.2 硝酸鹽濃度對東海原甲藻和三角褐指藻釋放CH2Br2、CHBr2Cl 和C2HCl3的影響

圖7 不同硝酸鹽濃度下東海原甲藻（a, b, c）和三角褐指藻（d, e, f）的CH2Br2，CHBr2Cl 和C2HCl3 釋放量Fig. 7 The release of CH2Br2, CHBr2Cl and C2HCl3 from Prorocentrum donghaiense (a, b, c) and Phaeodactylum tricornutum(d, e, f) at different nitrate concentrations

東海原甲藻和三角褐指藻在4 種硝酸鹽條件下的CH2Br2、CHBr2Cl 和C2HCl3釋放量隨培養時間變化如圖7 所示，從圖中可以看出兩種微藻在不同硝酸鹽濃度下的CH2Br2釋放量都很少且基本處于穩定狀態，這再一次證明了本文關于CH2Br2、CHBr2Cl 和C2HCl3并不是東海原甲藻和三角褐指藻的主要釋放產物的推斷。三角褐指藻對CH2Br2的釋放隨著硝酸鹽濃度的變化表現出一定的差異，高硝酸鹽濃度下其釋放量受到明顯的抑制。另外東海原甲藻和三角褐指藻在不同硝酸鹽濃度下的CH2Br2、CHBr2Cl 和C2HCl3釋放量隨時間變化趨勢相近，都是升高到峰值后呈下降趨勢。對于東海原甲藻和三角褐指藻而言，CH2Br2、CHBr2Cl 和C2HCl3并不是其釋放的主要產物，這部分產物可能來源于非生物作用。研究表明海水中的VHCs可以通過多種非生物作用產生，包括光化學合成、親電子置換反應和取代反應等[34–36]。海水中的腐殖質（HA）、溶解有機質（DOM）、有色溶解有機物（CDOM）以及有機硫化物等都可以為VHCs 的非生物生成提供原料，促進VHCs 的合成釋放[27,37]。在培養后期，隨著非生物合成所需原料的不斷消耗，VHCs 的釋放量也逐漸較少。同時，隨著培養時間的推移，會有一部分東海原甲藻和三角褐指藻發生衰亡，衰亡的藻細胞內的有機質可以重新為VHCs 的合成提供原料。由于目前有關海洋中VHCs 的非生物合成的研究比較匱乏，因而很難確定影響VHCs 濃度的主導因素，硝酸鹽濃度對其非生物合成的具體影響還有待進一步研究。

4 結論

（1）光照強度對藻類釋放VHCs 的影響與藻的種類及其釋放的VHCs 種類有關。光照強度會影響東海原甲藻和三角褐指藻生產釋放CH3I。在一定范圍內，光照強度越大，兩種微藻對CH3I 的釋放量也越大。但是光照強度對兩種微藻釋放CH2Br2、CHBr2Cl和C2HCl3的影響并不顯著。

（2）硝酸鹽濃度會影響東海原甲藻和三角褐指藻釋放VHCs。過高或過低的硝酸鹽濃度都會在一定程度上抑制兩種微藻對CH3I 的釋放。硝酸鹽濃度對兩種微藻釋放CH2Br2、CHBr2Cl 和C2HCl3的影響并不十分顯著。

（3）東海原甲藻和三角褐指藻以生產釋放CH3I為主，且CH3I 的釋放量表現為硅藻（三角褐指藻）大于甲藻（東海原甲藻）。CH2Br2、CHBr2Cl 和C2HCl3并不是東海原甲藻和三角褐指藻的主要產物，它們在海洋中可能有其他非生物的來源和生成機制，光照強度和硝酸鹽濃度對這些非生物的來源和生成機制的影響還有待進一步研究。