近海痕量金属的浓度变化特征及与藻类关系初探
文献类型：学位论文
| 作者 | 梁艳 |
| 答辩日期 | 2024-11-22 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 潘大为 |
| 关键词 | 痕量金属 海洋藻类 浓度变化 近海 生物地球化学循环 Trace metals Marine algae Concentration variation Coastal seawater Biogeochemical cycling |
| 学位名称 | 理学博士 |
| 学位专业 | 海洋化学 |
| 英文摘要 | 海洋中的痕量金属对生态系统的影响具有正负两面性，这与具体金属元素及其浓度有关。一方面，海洋中的痕量金属（Pb、Hg等）能在生物体内富集导致毒性反应，还能干扰浮游植物生长和繁殖，严重影响海洋生态系统健康；另一方面痕量金属Fe、Zn、Mn、Cu和Ni等是海洋藻类生长所必需的营养元素，在海洋藻类的光合作用、固碳、固氮和电子传递等重要生物过程中起着举足轻重的作用。痕量金属生物地球化学循环过程影响着初级生产力，是调控全球气候的重要因子。近海仅占海洋表面积的7~8%，但贡献了全球海洋初级生产力的25%。近海区域受强烈的陆地-海洋相互作用以及工业化和人类活动的影响，导致近海痕量金属浓度相对高于开阔大洋。近海大规模海洋藻类繁殖对痕量金属的生物地球化学循环过程有至关重要的影响。然而，海洋藻类生长及消亡过程对痕量金属的浓度、分布以及迁移转化等方面的影响和认识尚不充足，导致对痕量金属的生物地球化学循环途径尚未完全清晰。因此本学位论文以近海痕量金属和海洋藻类为研究对象，研究了痕量金属在烟台近海表底层和不同中国典型近海养殖区的浓度变化特征和影响因素、初步探究了烟台和青岛近海区域主要海洋藻类（浮游植物和大型绿藻）繁殖时期痕量金属的时空分布变化及相互关系、并实验室模拟了大型绿藻浒苔暴发期藻类-细菌作用下痕量金属的生物地球化学循环行为。研究内容和主要结论如下： （1）烟台近海痕量金属表层和底层分布 为探究海水中溶解态痕量金属在表层和底层海水的分布、相互作用和生物地球化学行为，对2019和2020年夏季烟台近海五种溶解态痕量金属在表层和底层海水中的分布、相互作用、潜在的生态风险及影响因素进行了研究，确定了影响烟台近海痕量金属分布的因素。结果显示，五种痕量金属的溶解态浓度范围（平均值）依次为Zn 23.76 ~ 117.47 μg/L（42.67 μg/L）> Cr 2.00 ~ 9.90 μg/L（5.38 μg/L）> Co 0.90 ~ 2.94 μg/L（1.09 μg/L）> Pb 0.13 ~ 1.06 μg/L（0.39 μg/L）> Cd 0.21 ~ 0.51 μg/L（0.30 μg/L）。表层海水中五种溶解态金属的浓度普遍高于底层。溶解态Zn和Cd在表底层海水的分布呈现与大洋中营养盐型垂直分布相反的趋势，这是浮游植物对痕量金属的吸收速率低于外部输入速率所致。表层海水溶解态痕量金属主要受浮游植物、河流输入和大气沉降的影响，而底层海水主要受河流输入及海底沉积物再悬浮的影响。此外，潮汐、鲁北沿岸流和水产养殖活动对溶解态痕量金属的分布和迁移转化也有显著影响。在烟台近海区域，夏季海洋藻类生长旺盛，对痕量金属的吸收和吸附具有重要影响。 （2）典型近海养殖区痕量金属的空间分布 为探究中国典型近海养殖区痕量金属的空间分布及影响因素，对北黄海、东海（ECS）嵊山岛和南海（SCS）柘林湾的养殖水体中溶解态Cu、Pb和Cd浓度分布进行了现场或船载调查。结果显示，表层海水中溶解态Cu的平均浓度为：嵊山岛（11.52 μg/L）> 柘林湾（6.09 μg/L）> 北黄海（4.44 μg/L）；溶解态Pb的平均浓度为：嵊山岛（6.18 μg/L）> 北黄海（1.81 μg/L）> 柘林湾（未检出）；而溶解态Cd从北至南浓度呈下降趋势，且均低于0.65μg/L。北黄海和嵊山岛金属元素污染因子均为Pb > Cu > Cd，柘林湾为Cu > Pb = Cd。三个海域均显示Cu污染，北黄海和嵊山岛还显示Pb污染。研究发现，海洋藻类对养殖区痕量金属空间分布的影响受养殖区饲料输入及潮汐引起的海底沉积物再悬浮等物理化学过程影响。 （3）烟台近海锌和镉的时空分布及与硅藻的关系 为探究海洋藻类对痕量金属时空分布及其循环的影响，以及两者之间的相互作用，选择烟台近海典型浮游植物硅藻及在其碳酸酐酶中可能发挥作用的痕量金属Zn和Cd为研究对象，分析了烟台近海连续三年（2019-2021）夏季活性态和溶解态Zn和Cd浓度的时空分布。结果显示，烟台近海活性态Zn（209.30 nmol/L）和Cd（2.00 nmol/L）浓度与此前多年检测数据基本一致，表明该海域活性态Zn和Cd的浓度处于平衡且稳定状态。浮游植物丰度越高，活性态Zn和Cd浓度越低，尤其是活性态Zn，表明其对浮游植物发挥重要作用。研究区域表层海水中溶解态Zn和Cd浓度高于底层海水，这一现象与其在海洋中营养型的垂直分布相反，是因为外源输入的量大于浮游植物对溶解态Zn和Cd吸收或吸附。通过分析不同形态Zn和Cd的时空分布与浮游植物的分布，发现该区域浮游植物未出现Zn限制（活性态Zn浓度>10.00 pmol/L）现象；活性态Zn和Cd与pH呈负相关，与溶解无机碳呈正相关，表明Zn和Cd可能均在近海固定CO2的过程中发挥重要作用，Cd可能导致近海硅藻对Zn的吸收减少。 （4）烟台近海十种痕量金属的时空分布及与主要海洋微藻的关系 为进一步探究烟台近海多种痕量金属的时空分布及与主要繁殖浮游植物的关系，于2023年5月至9月对烟台近海四个采样点浮游植物种类（种群）进行了鉴定，并分析了浮游植物动态时空变化下，痕量金属（Fe、Mn、Mo、Cu、Zn、Ni、Co、Cr、Cd和Pb）溶解态、颗粒态及总态浓度的时空变化及其转化过程，结合多种理化参数揭示痕量金属与浮游植物相互作用机制。结果显示，烟台近海四个采样点主要繁殖的浮游植物是硅藻门和蓝藻门，两者存在协同生长作用。痕量金属溶解态平均浓度由高到低依次为Fe（0.37 μmol/L）> Mn（0.24 μmol/L）> Mo（0.13 μmol/L）> Zn（0.12 μmol/L）> Cu（17.57 nmol/L）> Ni（15.80 nmol/L）> Cr（2.48 nmol/L）> Co（1.13 nmol/L）> Cd（0.75 nmol/L）> Pb（0.37 nmol/L）。硅藻门和蓝藻门浮游植物的繁殖导致溶解态和总态Mn、Zn、Cd、Cr、Ni、Cu和Fe的浓度下降，且在硅藻门浮游植物繁殖期间，Mn、Mo、Cd、Ni、Cu和Co溶解态浓度高于颗粒态浓度。在采样周期内，溶解态Fe在总态中的占比仅为9%，且浓度保持稳定，溶解态Fe与硅藻门浮游植物和细胞丰富度呈显著负相关，表明其对浮游植物的生长可能具有营养作用。溶解态Mn、Zn、Cd、Cr、Ni和Cu与多种营养盐呈正相关，其间接发挥着营养物质的作用。蓝藻门浮游植物与大型海藻（石莼和浒苔）共存时，蓝藻门浮游植物对痕量金属的吸收能力弱于大型海藻释放痕量金属的能力。 （5）青岛近海绿潮藻暴发期痕量金属的变化研究 为探究青岛近海绿潮藻暴发期痕量金属的时空分布及与绿潮藻的关系， 2023年5月至9月对青岛近海三个采样点浒苔暴发期溶解态、颗粒态和总态痕量金属（Fe、Mn、Mo、Cu、Zn、Ni、Co、Cr、Cd和Pb）及环境理化参数进行了调查。结果显示，浒苔自6月25日起迅速聚集，于7月中旬左右完全消失。青岛近海采样期间，痕量金属溶解态浓度由高到低依次为DFe > DMn > DMo > DZn > DCu > DNi > DCr > DCo > DCd > DPb，颗粒态浓度由高到低依次为PFe > PMn > PZn > PMo > PCr > PNi > PCu > PPb > PCo > PCd。在三个采样点，总态Ni、Cu、Pb、Co、Fe和Cr随时间变化趋势相似，溶解态Pb、Co、Fe和Cr浓度变化小，溶解态Ni和Cu随时间变化相同且两者间呈显著正相关。溶解态Fe与叶绿素（Chl a）呈显著负相关，表明其对浒苔的生长发挥了营养物质的作用。溶解态Mn、Co、Ni、Cu和Cr与多种营养盐呈正相关，其间接发挥着营养物质的作用。溶解态Pb与Chl a呈显著负相关，表明Pb对浒苔的生长可能起毒性作用。溶解态Cd与Chl a、pH和溶解态Zn呈显著负相关，说明浒苔中可能存在特异性的Cd碳酸酐酶。 （6）绿潮藻暴发期痕量金属变化的实验室模拟和机理研究 为进一步探究大型藻类暴发期痕量金属的变化以及相互作用机理，开展了为期30天的室内培养实验，模拟了灭菌和未灭菌天然海水基质中青岛近海浒苔的繁殖过程，并以不同营养条件为变量，研究了浒苔繁殖期内溶解态金属（Mn、Mo、Co、Zn、As、Cr、Cu、Ni、Cd和Pb）的变化。结果显示，溶解态Mn、Co、Mo、Ni、As和Cr的浓度均呈下降趋势。粗略估算青岛近海浒苔繁殖期对痕量金属的最大去除通量排序为：Mn（9.97×106 g/L）> Co（6.43×105 g/L）> As（6.29×105 g/L）> Ni（7.06×104 g/L）> Cr（1.58×104 g/L）。浒苔对海水中溶解态Mn具有显著的去除能力，主要源于藻类的吸收和吸附作用。溶解态Co、Mo、Ni、As和Cr的变化主要受微生物对复杂有机配体、腐殖质及颗粒物中金属再释放的影响。Zn、Cd与Pb的浓度变化趋势相似，主要受颗粒物中金属再释放及有机配体与金属结合的影响。Mo和Cu在培养前期受浒苔吸收和吸附的影响，培养后期则受颗粒有机物中Mo和Cu再释放的影响。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/38238]  |
| 专题 | 烟台海岸带研究所_中科院烟台海岸带研究所知识产出 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 梁艳. 近海痕量金属的浓度变化特征及与藻类关系初探[D]. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：烟台海岸带研究所
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