2011年春季东海赤潮演替过程中海水中的游离态多胺

刘 艳，赵卫红，苗 辉（.中国科学院海洋研究所，海洋生态与环境科学重点实验室，山东 青岛 26607；2.中国科学院大学，北京 00049；3.临沂大学资源环境学院，山东 临沂 276005）

2011年春季东海赤潮演替过程中海水中的游离态多胺

刘 艳1，2，3，赵卫红1*，苗 辉1（1.中国科学院海洋研究所，海洋生态与环境科学重点实验室，山东 青岛 266071；2.中国科学院大学，北京 100049；3.临沂大学资源环境学院，山东 临沂 276005）

利用高效液相色谱法测定了2011年东海赤潮演替过程中海水中的主要的游离态多胺腐胺、亚精胺和精胺的浓度.调查海区腐胺、亚精胺和精胺的浓度范围分别为 0～48nmol/L，3～11nmol/L和 2～17nmol/L， 其中腐胺的平均浓度最高，亚精胺次之，精胺的浓度最低.从平面分布看，在4月份以中肋骨条藻为主的硅藻赤潮爆发期，和5月份以东海原甲藻为主的甲藻赤潮爆发期，赤潮爆发的区域多胺浓度相对较高；各个断面的多胺浓度随着赤潮爆发的过程发生变化，并且与 DOC、POC、DON以及 C/N等呈较明显的相关性.

多胺；赤潮；演替；腐胺；亚精胺；精胺

多胺是一类具有生物活性的低分子有机胺类，主要包括腐胺（Put）、亚精胺（Spd）、精胺（Spm）等，广泛的存在于动物［1］、植物［2］、浮游生物［3-4］和海藻中［5-6］，可以调节细胞的分裂、分化、生长和衰亡.内源性多胺可以与DNA、RNA和蛋白质结合，对生物的生长和发育起着重要作用［7-9］；外源性多胺可刺激植物细胞的分裂增殖.藻类代谢、消亡和分解会产生多胺类物质，并且会影响到浮游植物种群的演替.挪威 Ofotfjord-Vestford湾可能由于多胺的刺激作用爆发了里氏金色藻赤潮［10］；在法国沿岸春天爆发硅藻赤潮后又发生了米氏凯伦藻赤潮，原因很可能是硅藻赤潮的消亡分解产生的腐胺促进了米氏凯伦藻赤潮生长［11］，因此研究多胺与赤潮的关系是非常有意义的.近年来东海赤潮频发［12］，并在春季存在着由硅藻赤潮向甲藻赤潮演替的趋势［13］.2011年4月初，东海爆发了以中肋骨条藻为主的硅藻赤潮；4月底，硅藻赤潮开始演替为以东海原甲藻为主的甲藻赤潮；5月份爆发了大规模甲藻赤潮.采用高效液相色谱法测定了2011年东海赤潮演替中海水中的游离态腐胺、亚精胺和精胺的浓度，并分析了在东海赤潮高发区的分布与特征，以及与赤潮演替的关系.

1　材料与方法

表1　2011年春季东海采样断面Table 1 Section of sampling in spring 2011

于 2011年 4、5月份在长江口邻近海域（28.0～31.0ºN，121～124ºS），设置5个断面（图1），共进行了9个航次（表1），其中包括4个大面调查.现场使用采水器分别采集表层、中层、底层水样，表层为海平面下约 1m，中层为叶绿素最大层，底层为距海底0～3m.多胺样品经GF/F膜（450℃灼烧 4h）过滤后，储存在棕色玻璃瓶中（450℃灼烧4h），于-20℃冷冻保存水样.水样室温解冻后，利用高效液相色谱法［14］测定海水中的游离态多胺，方法参照付敏等的测定方法.其中色谱柱为C18（150mm×4.6mm i.d.， 5μm particle size，Agilent）；荧光检测激发波长（Ex）340nm，发射波长（Em）515nm；进样量50μL；柱温40℃；流动相A为乙腈，B为0.1mol/L的乙酸铵（流动相洗脱梯度见表 2），B需经 0.45μm 玻璃纤维滤膜过滤（Whatman），超声波去除气泡后使用；流速1.0mL/min.

表2　流动相洗脱梯度Table 2 Elution gradient of mobile phase

2　结果与讨论

2.1游离态多胺随赤潮演替的平面分布

腐胺、亚精胺和精胺是 2011年春季东海赤潮爆发过程中最主要的游离态多胺.腐胺、亚精胺和精胺的浓度范围分别为 0～48nmol/L，3～11nmol/L和2～17nmol/L.腐胺的平均浓度最高，为 18noml/L左右，精胺的平均浓度最低，为3noml/L左右（图 2～图 9）.Nishibori等［15］报道1996年日本濑户内海夏季赤潮爆发期的海水中游离态多胺以腐胺和亚精胺为主，浓度分别从2～32.6nmol/L 和1～14.1nmol/L，精胺浓度最低相类似.也有文献报道其他水域中多胺的浓度高于海水中多胺的浓度，富营养化的海水池塘中腐胺的浓度范围为 0～150nmol/L［16］，咸水湖中的腐胺、亚精胺和精胺的浓度分别是0～570、0～920和0～20nmol/L［17］.不同水体中游离态多胺浓度有所不同，主要与水体的富营养化程度有关.

图2　2011年春季东海表层腐胺浓度平面分布Fig.2 Horizontal distribution of putrescine concentration in surface layer of spring 2011

图3　2011年春季东海中层浓度腐胺平面分布Fig.3 Horizontal distribution of putrescine concentration in middle layer of spring 2011

图4　2011年春季东海底层腐胺平面分布Fig.4 Horizontal distribution of putrescine in bottom layer of spring 2011

图5　2011年春季东海表层亚精胺平面分布Fig.5 Horizontal distribution of spermidine in surface layer of spring 2011

图6　2011年春季东海中层亚精胺平面分布Fig.6 Horizontal distribution of spermidine in middle layer of spring 2011

图7　2011年春季东海底层亚精胺平面分布Fig.7 Horizontal distribution of spermidine in bottom layer of spring 2011

图8　2011年春季东海表层精胺平面分布Fig.8 Horizontal distribution of spermidine in surface layer of spring 2011

图9　2011年春季东海中层精胺平面分布Fig.9 Horizontal distribution of spermine in middle layer of spring 2011

图10　2011年春季东海底层精胺平面分布Fig.10 Horizontal distribution of spermine in middle layer of spring 2011

2011年春季（3月30日～4月2日）东海研究区域外海区爆发了硅藻赤潮，表、中和底层腐胺、亚精胺高值出现在 ZA断面以北近岸区域，与同时期的 DOC平面分布相类似［18］，此时多胺的分布主要受浮游植物的影响；4月9～10日硅藻赤潮已大多消散，出现了密度较高的剧毒卡尔藻，腐胺和亚精胺浓度高值都向南部外海区域转移，与同时期的温度盐度分布相类似，多胺的分布可能受到陆源输入与台湾暖流的影响；到了4月19～20日，表层、中层和底层腐胺浓度高值都出现在ZA断面周围区域，各层的亚精胺分布比较均匀，在整个研究区域浓度都相对较高，此时该区域形成剧毒卡尔藻赤潮，腐胺可能来自于剧毒卡尔藻赤潮的代谢分泌；5月4～7日腐胺高值都偏移到了ZA断面近岸区域，亚精胺浓度高值都转移到研究区域北部，RB断面附近区域，在此期间研究区域北部硅藻赤潮消亡，南部爆发了以东海原甲藻为主的甲藻赤潮；5月13～15日期间整个za断面周围区域腐胺浓度值较高，亚精胺的浓度高值都转移到了研究区域北部，此时研究区域大部分地区都发生了甲藻赤潮；5月 25～27日期间整个区域都爆发了甲藻赤潮，腐胺和亚精胺高值都转移到研究区域北部外海区域.在整个赤潮爆发演替过程中，该区域游离态精胺浓度较低，基本都呈斑状分布，没有明显的变化.由以上分布可以看出，硅藻赤潮消亡区域多胺的浓度较高，说明硅藻赤潮消亡过程中会降解释放出多胺.实验室培养中肋骨条藻发现，消亡期培养液中多胺的浓度会急剧升高，腐胺的浓度高达 350nmol/L［19］.剧毒卡尔藻赤潮出现的区域和东海原甲藻大面积爆发时多胺的浓度相对较高，说明甲藻赤潮爆发过程中会代谢分泌出多胺.同样地实验室研究发现中肋骨条藻到了指数生长期，培养液中的多胺浓度会呈现升高趋势［19］.无论是硅藻赤潮消亡时期还是东海原甲藻爆发时期，赤潮生物量累积较高的区域多胺浓度较高，这与Hofle［20］在1984年报道的赤潮爆发区的浮游生物量较大的透光层处多胺的浓度较高一致.

2.2各断面游离态多胺随时间变化规律

图11　2011年RA断面多胺浓度变化Fig.11 Variation of polyamines in RA section

图12　2011年RB断面多胺浓度变化Fig.12 Variation of polyamines in RB section

图13　2011年ZA断面多胺浓度变化Fig.13 Variation of polyamines in ZA section

2011年4月RA断面没有发生明显的硅藻赤潮，只有一定密度的硅藻分布； 5月份发生了甲藻赤潮，RA断面的多胺平均浓度较低，腐胺的平均浓度只有 4.5nmol/L，并且腐胺随着甲藻赤潮的暴发，浓度有所降低，可能是部分多胺被甲藻赤潮吸收利用所致（图 11）.外源多胺可以被浮游植物吸收利用，它们是溶解有机氮库的重要贡献者［16］.米氏凯伦藻生长过程中会吸收利用腐胺［11］；梁丛丛等研究发现东海甲藻赤潮生长过程中会吸收利用精胺、腐胺和亚精胺［21］.4月初RB断面发生了硅藻赤潮（图12），4月中旬到5月上旬，该断面硅藻赤潮消散，然后有一定数量的甲藻分布，到了5月中旬发生了甲藻赤潮，随着赤潮的演替趋势，腐胺浓度先下降后上升，这可能是由于部分腐胺被甲藻吸收，而到了后期甲藻赤潮爆发代谢分泌所致，说明甲藻在生长初期会吸收利用部分多胺，而在生长过程中又会代谢分泌出多胺.ZA断面所处区域发生了明显的赤潮演替现象，多胺的浓度变化起伏较大.4月初，硅藻赤潮爆发时za断面腐胺浓度处于较高水平，浓度可达到26nmol/L，随着硅藻赤潮的消散，剧毒卡尔藻藻华的出现水体中多胺浓度呈现降低的趋势.5月中旬开始发生大面积甲藻赤潮，腐胺的浓度有先升后降的变化，可能是剧毒卡尔藻藻华降解释放出腐胺，导致上升趋势，而后又被东海原甲藻大量吸收利用而有所下降的缘故（图13）.ZB断面多胺的浓度随着剧毒卡尔藻藻华的出现呈现下降的趋势，一直到东海原甲藻赤潮爆发，这可能是由于多胺一直在被吸收利用（图14）.ZC断面无明显的赤潮演替现象，腐胺的起始浓度低于ZA断面，随着5月中旬甲藻赤潮的暴发，腐胺的浓度有上升的趋势，最后浓度与ZA断面相近，可能是甲藻赤潮后期代谢分泌所致（图 15）.各个断面多胺的变化与赤潮的爆发过程密切相关的，其中发生了明显的赤潮演替现象的 ZA断面多胺浓度相对较高，变化起伏也较大，这可能是 ZA断面整体累积的生物量较高的缘故，这与刘艳等报道的2011年围隔生态系内藻华演替过程中多胺的变化结果一致［22］.

2.3多胺与其他环境因素的关系

为了分析调查海域多胺的来源及其主要影响因素，选用最主要的多胺腐胺，运用多元线性回归方法分析了其与温度（T）、盐度（S）、DO、pH值、DIC、DOC、POC、DIN、DON、PON、TDN、C/N以及PC/N等环境因素关系，得到了影响因子比较显著（P＜0.05）的线性回归方程，结果见表3.

图14　2011年ZB断面多胺浓度变化Fig.14 Variation of polyamines in ZB section

图15　2011年ZC断面多胺浓度变化Fig.15 Variation of polyamines in ZC section

表3　线性回归分析结果Table 3 Analysis results of linear regression

由线性回归结果可以看出，4月初硅藻赤潮爆发期间（MC-1），腐胺和亚精胺都与DOC呈现一定的正相关性，而海水中 DOC主要来源于浮游植物，随着浮游植物生物量增加，DOC也会增加［23］.在硅藻赤潮大面积爆发时期，说明此时多胺主要来自于硅藻的新陈代谢.硅藻赤潮开始消散，剧毒卡尔藻开始出现期间（MC-2），腐胺与pH呈负相关性，与DOC呈现一定的正相关性，硅藻消亡，光合作用减弱，所以pH值会下降，此时腐胺可能主要来自于硅藻的降解过程；另外，剧毒卡尔藻的新陈代谢也会分泌产生部分多胺.硅藻赤潮大面积消散，剧毒卡尔藻赤潮爆发期间（MC-3），腐胺与温度和POC有一定的正相关性，说明多胺的主要来源于硅藻的降解过程.5月 4～7日（MC-6）ZA断面以北区域硅藻赤潮已经消散，zb断面开始出现东海原甲藻赤潮，此时腐胺与DON呈现正相关性，腐胺的主要还是来自于硅藻的降解过程.5月13～15日（MC-7）东海原甲藻赤潮开始大面积爆发，腐胺与DON呈现负相关性，DON的浓度与MC-6相比有所下降，而腐胺的浓度有所上升，说明此时腐胺可能主要来自于东海原甲藻的代谢分泌.东海原甲藻赤潮全面爆发期间（MC-8），腐胺浓度达到最高值，平均浓度达到30nmol/L，受DOC、S和C/N共同影响，其中与DOC和S呈正相关性，与C/N呈负相关，文献报道DOC浓度较高，C/N值较低一般是浮游植物高度密集的区域［24］，该时期腐胺主要来自于东海原甲藻的代谢分泌，并且由于生物量累积较大，腐胺的浓度也较高.

3　结论

2011年我国春季东海赤潮爆发期海水中主要的游离态多胺为腐胺、亚精胺和精胺，其中腐胺的平均浓度最高，其次是亚精胺，精胺的平均浓度最低.赤潮爆发期间累积赤潮生物量较高的区域多胺浓度较高.多胺的浓度变化主要取决于各断面赤潮演替的变化，各个航次多胺与 DOC、POC以及DON等有机物密切相关，说明赤潮过程中多胺的变化主要来自于赤潮生物量.

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致谢：本实验的现场采样及样品测定由中国海洋大学王江涛教授实验室协助完成，在此表示感谢.

Free polyamines during algae bloom succession in the East China Sea in spring 2011.

LIU Yan1，2，3， ZHAO Wei-hong1，MIAO Hui1（1.Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences， Institute of Oceanology， Chinese Academy of Sciences， Qingdao 266071， China；2.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China；
3.College of Resource and Environment， Linyi University， Linyi 276005， China）.

China Environmental Science，2015，35（11）：3452～3461

The predominant polyamines （spermine， putrescine and spermidine） of seawater in the area of frequent red-tide occurrence of the East China Sea in spring 2011 were measured by HPLC. The results showed that putrescine， spermidine and spermine in the survey area ranged between 0～48， 3～11 and 2～17nmol/L respectively. The average concentration of putrescine was the highest， followed by spermidine and spermine. During diatom bloom that dominated by Skeletonema costatum and dinoflagellate bloom that dominated by Prorocentrum donghaiense occurring， polyamine concentration was relatively higher in area where algae bloom broke out. Polyamine concentration varied with process of algae bloom outbreak， and showed correlation with DOC， POC， DON and C/N.

polyamine；algae bloom；sucession；putrescine；spermidine；spermine

X55，P76

A

1000-6923（2015）11-3452-10

2015-04-13

国家重点基础研究发展计划资助项目（2010CB428701）；国家自然科学基金资助项目（40976047，41276118）

* 责任作者， 研究员， whzhao@qdio.ac.cn

刘 艳（1978-），女，山东泰安人，讲师，博士研究生，主要研究方向为海洋环境化学.发表论文4篇.