劉 艷，趙衛(wèi)紅，苗 輝（.中國科學(xué)院海洋研究所，海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室，山東 青島 26607；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 00049；3.臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東 臨沂 276005）

2011年春季東海赤潮演替過程中海水中的游離態(tài)多胺

劉 艷1，2，3，趙衛(wèi)紅1*，苗 輝1（1.中國科學(xué)院海洋研究所，海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點實驗室，山東 青島 266071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山東 臨沂 276005）

利用高效液相色譜法測定了2011年東海赤潮演替過程中海水中的主要的游離態(tài)多胺腐胺、亞精胺和精胺的濃度.調(diào)查海區(qū)腐胺、亞精胺和精胺的濃度范圍分別為 0～48nmol/L，3～11nmol/L和 2～17nmol/L， 其中腐胺的平均濃度最高，亞精胺次之，精胺的濃度最低.從平面分布看，在4月份以中肋骨條藻為主的硅藻赤潮爆發(fā)期，和5月份以東海原甲藻為主的甲藻赤潮爆發(fā)期，赤潮爆發(fā)的區(qū)域多胺濃度相對較高；各個斷面的多胺濃度隨著赤潮爆發(fā)的過程發(fā)生變化，并且與 DOC、POC、DON以及 C/N等呈較明顯的相關(guān)性.

多胺；赤潮；演替；腐胺；亞精胺；精胺

多胺是一類具有生物活性的低分子有機胺類，主要包括腐胺（Put）、亞精胺（Spd）、精胺（Spm）等，廣泛的存在于動物［1］、植物［2］、浮游生物［3-4］和海藻中［5-6］，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的分裂、分化、生長和衰亡.內(nèi)源性多胺可以與DNA、RNA和蛋白質(zhì)結(jié)合，對生物的生長和發(fā)育起著重要作用［7-9］；外源性多胺可刺激植物細(xì)胞的分裂增殖.藻類代謝、消亡和分解會產(chǎn)生多胺類物質(zhì)，并且會影響到浮游植物種群的演替.挪威 Ofotfjord-Vestford灣可能由于多胺的刺激作用爆發(fā)了里氏金色藻赤潮［10］；在法國沿岸春天爆發(fā)硅藻赤潮后又發(fā)生了米氏凱倫藻赤潮，原因很可能是硅藻赤潮的消亡分解產(chǎn)生的腐胺促進了米氏凱倫藻赤潮生長［11］，因此研究多胺與赤潮的關(guān)系是非常有意義的.近年來東海赤潮頻發(fā)［12］，并在春季存在著由硅藻赤潮向甲藻赤潮演替的趨勢［13］.2011年4月初，東海爆發(fā)了以中肋骨條藻為主的硅藻赤潮；4月底，硅藻赤潮開始演替為以東海原甲藻為主的甲藻赤潮；5月份爆發(fā)了大規(guī)模甲藻赤潮.采用高效液相色譜法測定了2011年東海赤潮演替中海水中的游離態(tài)腐胺、亞精胺和精胺的濃度，并分析了在東海赤潮高發(fā)區(qū)的分布與特征，以及與赤潮演替的關(guān)系.

1　材料與方法

表1　2011年春季東海采樣斷面Table 1 Section of sampling in spring 2011

于 2011年 4、5月份在長江口鄰近海域（28.0～31.0oN，121～124oS），設(shè)置5個斷面（圖1），共進行了9個航次（表1），其中包括4個大面調(diào)查.現(xiàn)場使用采水器分別采集表層、中層、底層水樣，表層為海平面下約 1m，中層為葉綠素最大層，底層為距海底0～3m.多胺樣品經(jīng)GF/F膜（450℃灼燒 4h）過濾后，儲存在棕色玻璃瓶中（450℃灼燒4h），于-20℃冷凍保存水樣.水樣室溫解凍后，利用高效液相色譜法［14］測定海水中的游離態(tài)多胺，方法參照付敏等的測定方法.其中色譜柱為C18（150mm×4.6mm i.d.， 5μm particle size，Agilent）；熒光檢測激發(fā)波長（Ex）340nm，發(fā)射波長（Em）515nm；進樣量50μL；柱溫40℃；流動相A為乙腈，B為0.1mol/L的乙酸銨（流動相洗脫梯度見表 2），B需經(jīng) 0.45μm 玻璃纖維濾膜過濾（Whatman），超聲波去除氣泡后使用；流速1.0mL/min.

表2　流動相洗脫梯度Table 2 Elution gradient of mobile phase

2　結(jié)果與討論

2.1游離態(tài)多胺隨赤潮演替的平面分布

腐胺、亞精胺和精胺是 2011年春季東海赤潮爆發(fā)過程中最主要的游離態(tài)多胺.腐胺、亞精胺和精胺的濃度范圍分別為 0～48nmol/L，3～11nmol/L和2～17nmol/L.腐胺的平均濃度最高，為 18noml/L左右，精胺的平均濃度最低，為3noml/L左右（圖 2～圖 9）.Nishibori等［15］報道1996年日本瀨戶內(nèi)海夏季赤潮爆發(fā)期的海水中游離態(tài)多胺以腐胺和亞精胺為主，濃度分別從2～32.6nmol/L 和1～14.1nmol/L，精胺濃度最低相類似.也有文獻報道其他水域中多胺的濃度高于海水中多胺的濃度，富營養(yǎng)化的海水池塘中腐胺的濃度范圍為 0～150nmol/L［16］，咸水湖中的腐胺、亞精胺和精胺的濃度分別是0～570、0～920和0～20nmol/L［17］.不同水體中游離態(tài)多胺濃度有所不同，主要與水體的富營養(yǎng)化程度有關(guān).

圖2　2011年春季東海表層腐胺濃度平面分布Fig.2 Horizontal distribution of putrescine concentration in surface layer of spring 2011

圖3　2011年春季東海中層濃度腐胺平面分布Fig.3 Horizontal distribution of putrescine concentration in middle layer of spring 2011

圖4　2011年春季東海底層腐胺平面分布Fig.4 Horizontal distribution of putrescine in bottom layer of spring 2011

圖5　2011年春季東海表層亞精胺平面分布Fig.5 Horizontal distribution of spermidine in surface layer of spring 2011

圖6　2011年春季東海中層亞精胺平面分布Fig.6 Horizontal distribution of spermidine in middle layer of spring 2011

圖7　2011年春季東海底層亞精胺平面分布Fig.7 Horizontal distribution of spermidine in bottom layer of spring 2011

圖8　2011年春季東海表層精胺平面分布Fig.8 Horizontal distribution of spermidine in surface layer of spring 2011

圖9　2011年春季東海中層精胺平面分布Fig.9 Horizontal distribution of spermine in middle layer of spring 2011

圖10　2011年春季東海底層精胺平面分布Fig.10 Horizontal distribution of spermine in middle layer of spring 2011

2011年春季（3月30日～4月2日）東海研究區(qū)域外海區(qū)爆發(fā)了硅藻赤潮，表、中和底層腐胺、亞精胺高值出現(xiàn)在 ZA斷面以北近岸區(qū)域，與同時期的 DOC平面分布相類似［18］，此時多胺的分布主要受浮游植物的影響；4月9～10日硅藻赤潮已大多消散，出現(xiàn)了密度較高的劇毒卡爾藻，腐胺和亞精胺濃度高值都向南部外海區(qū)域轉(zhuǎn)移，與同時期的溫度鹽度分布相類似，多胺的分布可能受到陸源輸入與臺灣暖流的影響；到了4月19～20日，表層、中層和底層腐胺濃度高值都出現(xiàn)在ZA斷面周圍區(qū)域，各層的亞精胺分布比較均勻，在整個研究區(qū)域濃度都相對較高，此時該區(qū)域形成劇毒卡爾藻赤潮，腐胺可能來自于劇毒卡爾藻赤潮的代謝分泌；5月4～7日腐胺高值都偏移到了ZA斷面近岸區(qū)域，亞精胺濃度高值都轉(zhuǎn)移到研究區(qū)域北部，RB斷面附近區(qū)域，在此期間研究區(qū)域北部硅藻赤潮消亡，南部爆發(fā)了以東海原甲藻為主的甲藻赤潮；5月13～15日期間整個za斷面周圍區(qū)域腐胺濃度值較高，亞精胺的濃度高值都轉(zhuǎn)移到了研究區(qū)域北部，此時研究區(qū)域大部分地區(qū)都發(fā)生了甲藻赤潮；5月 25～27日期間整個區(qū)域都爆發(fā)了甲藻赤潮，腐胺和亞精胺高值都轉(zhuǎn)移到研究區(qū)域北部外海區(qū)域.在整個赤潮爆發(fā)演替過程中，該區(qū)域游離態(tài)精胺濃度較低，基本都呈斑狀分布，沒有明顯的變化.由以上分布可以看出，硅藻赤潮消亡區(qū)域多胺的濃度較高，說明硅藻赤潮消亡過程中會降解釋放出多胺.實驗室培養(yǎng)中肋骨條藻發(fā)現(xiàn)，消亡期培養(yǎng)液中多胺的濃度會急劇升高，腐胺的濃度高達(dá) 350nmol/L［19］.劇毒卡爾藻赤潮出現(xiàn)的區(qū)域和東海原甲藻大面積爆發(fā)時多胺的濃度相對較高，說明甲藻赤潮爆發(fā)過程中會代謝分泌出多胺.同樣地實驗室研究發(fā)現(xiàn)中肋骨條藻到了指數(shù)生長期，培養(yǎng)液中的多胺濃度會呈現(xiàn)升高趨勢［19］.無論是硅藻赤潮消亡時期還是東海原甲藻爆發(fā)時期，赤潮生物量累積較高的區(qū)域多胺濃度較高，這與Hofle［20］在1984年報道的赤潮爆發(fā)區(qū)的浮游生物量較大的透光層處多胺的濃度較高一致.

2.2各斷面游離態(tài)多胺隨時間變化規(guī)律

圖11　2011年RA斷面多胺濃度變化Fig.11 Variation of polyamines in RA section

圖12　2011年RB斷面多胺濃度變化Fig.12 Variation of polyamines in RB section

圖13　2011年ZA斷面多胺濃度變化Fig.13 Variation of polyamines in ZA section

2011年4月RA斷面沒有發(fā)生明顯的硅藻赤潮，只有一定密度的硅藻分布； 5月份發(fā)生了甲藻赤潮，RA斷面的多胺平均濃度較低，腐胺的平均濃度只有 4.5nmol/L，并且腐胺隨著甲藻赤潮的暴發(fā)，濃度有所降低，可能是部分多胺被甲藻赤潮吸收利用所致（圖 11）.外源多胺可以被浮游植物吸收利用，它們是溶解有機氮庫的重要貢獻者［16］.米氏凱倫藻生長過程中會吸收利用腐胺［11］；梁叢叢等研究發(fā)現(xiàn)東海甲藻赤潮生長過程中會吸收利用精胺、腐胺和亞精胺［21］.4月初RB斷面發(fā)生了硅藻赤潮（圖12），4月中旬到5月上旬，該斷面硅藻赤潮消散，然后有一定數(shù)量的甲藻分布，到了5月中旬發(fā)生了甲藻赤潮，隨著赤潮的演替趨勢，腐胺濃度先下降后上升，這可能是由于部分腐胺被甲藻吸收，而到了后期甲藻赤潮爆發(fā)代謝分泌所致，說明甲藻在生長初期會吸收利用部分多胺，而在生長過程中又會代謝分泌出多胺.ZA斷面所處區(qū)域發(fā)生了明顯的赤潮演替現(xiàn)象，多胺的濃度變化起伏較大.4月初，硅藻赤潮爆發(fā)時za斷面腐胺濃度處于較高水平，濃度可達(dá)到26nmol/L，隨著硅藻赤潮的消散，劇毒卡爾藻藻華的出現(xiàn)水體中多胺濃度呈現(xiàn)降低的趨勢.5月中旬開始發(fā)生大面積甲藻赤潮，腐胺的濃度有先升后降的變化，可能是劇毒卡爾藻藻華降解釋放出腐胺，導(dǎo)致上升趨勢，而后又被東海原甲藻大量吸收利用而有所下降的緣故（圖13）.ZB斷面多胺的濃度隨著劇毒卡爾藻藻華的出現(xiàn)呈現(xiàn)下降的趨勢，一直到東海原甲藻赤潮爆發(fā)，這可能是由于多胺一直在被吸收利用（圖14）.ZC斷面無明顯的赤潮演替現(xiàn)象，腐胺的起始濃度低于ZA斷面，隨著5月中旬甲藻赤潮的暴發(fā)，腐胺的濃度有上升的趨勢，最后濃度與ZA斷面相近，可能是甲藻赤潮后期代謝分泌所致（圖 15）.各個斷面多胺的變化與赤潮的爆發(fā)過程密切相關(guān)的，其中發(fā)生了明顯的赤潮演替現(xiàn)象的 ZA斷面多胺濃度相對較高，變化起伏也較大，這可能是 ZA斷面整體累積的生物量較高的緣故，這與劉艷等報道的2011年圍隔生態(tài)系內(nèi)藻華演替過程中多胺的變化結(jié)果一致［22］.

2.3多胺與其他環(huán)境因素的關(guān)系

為了分析調(diào)查海域多胺的來源及其主要影響因素，選用最主要的多胺腐胺，運用多元線性回歸方法分析了其與溫度（T）、鹽度（S）、DO、pH值、DIC、DOC、POC、DIN、DON、PON、TDN、C/N以及PC/N等環(huán)境因素關(guān)系，得到了影響因子比較顯著（P＜0.05）的線性回歸方程，結(jié)果見表3.

圖14　2011年ZB斷面多胺濃度變化Fig.14 Variation of polyamines in ZB section

圖15　2011年ZC斷面多胺濃度變化Fig.15 Variation of polyamines in ZC section

表3　線性回歸分析結(jié)果Table 3 Analysis results of linear regression

由線性回歸結(jié)果可以看出，4月初硅藻赤潮爆發(fā)期間（MC-1），腐胺和亞精胺都與DOC呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，而海水中 DOC主要來源于浮游植物，隨著浮游植物生物量增加，DOC也會增加［23］.在硅藻赤潮大面積爆發(fā)時期，說明此時多胺主要來自于硅藻的新陳代謝.硅藻赤潮開始消散，劇毒卡爾藻開始出現(xiàn)期間（MC-2），腐胺與pH呈負(fù)相關(guān)性，與DOC呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，硅藻消亡，光合作用減弱，所以pH值會下降，此時腐胺可能主要來自于硅藻的降解過程；另外，劇毒卡爾藻的新陳代謝也會分泌產(chǎn)生部分多胺.硅藻赤潮大面積消散，劇毒卡爾藻赤潮爆發(fā)期間（MC-3），腐胺與溫度和POC有一定的正相關(guān)性，說明多胺的主要來源于硅藻的降解過程.5月 4～7日（MC-6）ZA斷面以北區(qū)域硅藻赤潮已經(jīng)消散，zb斷面開始出現(xiàn)東海原甲藻赤潮，此時腐胺與DON呈現(xiàn)正相關(guān)性，腐胺的主要還是來自于硅藻的降解過程.5月13～15日（MC-7）東海原甲藻赤潮開始大面積爆發(fā)，腐胺與DON呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，DON的濃度與MC-6相比有所下降，而腐胺的濃度有所上升，說明此時腐胺可能主要來自于東海原甲藻的代謝分泌.東海原甲藻赤潮全面爆發(fā)期間（MC-8），腐胺濃度達(dá)到最高值，平均濃度達(dá)到30nmol/L，受DOC、S和C/N共同影響，其中與DOC和S呈正相關(guān)性，與C/N呈負(fù)相關(guān)，文獻報道DOC濃度較高，C/N值較低一般是浮游植物高度密集的區(qū)域［24］，該時期腐胺主要來自于東海原甲藻的代謝分泌，并且由于生物量累積較大，腐胺的濃度也較高.

3　結(jié)論

2011年我國春季東海赤潮爆發(fā)期海水中主要的游離態(tài)多胺為腐胺、亞精胺和精胺，其中腐胺的平均濃度最高，其次是亞精胺，精胺的平均濃度最低.赤潮爆發(fā)期間累積赤潮生物量較高的區(qū)域多胺濃度較高.多胺的濃度變化主要取決于各斷面赤潮演替的變化，各個航次多胺與 DOC、POC以及DON等有機物密切相關(guān)，說明赤潮過程中多胺的變化主要來自于赤潮生物量.

［1］ Uriel Bachrach. The early history of polyamine research ［J］. Plant Physiology and Biochemistry， 2010，48：490-495.

［2］ Fuell Christine， Elliott KatherineA， Hanfrey Colin C， et al. Polyamine biosynthetic diversity in plants and algae ［J］. Plant Physiology and Biochemistry， 2010，48：513-520.

［3］ Nishibori N， Nishijima T. Changes in polyamine levels during growth of a red-tide causing phytoplankton Chattonella antiqua （Raphidophyceae） ［J］. European Journal of Phycology， 2004，39（1）：51-55.

［4］ 欒紅艷，趙衛(wèi)紅，苗 輝，等.Cd2+脅迫下中肋骨條藻細(xì)胞內(nèi)多胺的生理響應(yīng) ［J］. 中國環(huán)境科學(xué)， 2015，35（5）：1487-1494.

［5］ Badini L， Pistocchi R.， Bagni N， et al. Polyamine transport in the seaweed Ulva rigida （Chlorophyta） ［J］. Journal of Phycology，1994，30（4）：599-605.

［6］ Nishibori N， Fujihara S， Nishijima L T， et al. Changes in intracellular polyamine concentration during growth of Heterosigma akashiwo （Raphidophyceae） ［J］. Fisheries Science，2006，72（2）：350-355.

［7］ Igarashi K， Kashiwagi K. Polyamines： mysterious modulators of cellular functions ［J］. Biochemical and Biophysical Research Communications， 2000，271（3）：559-564.

［8］ Bouchereau A， Aziz A， Larher F， et al. Polyamines and environmental challenges： recent development ［J］. Plant Science，1999，140：103-125.

［9］ Hwang D F， Lu Y H， Noguchi T， et al. Effects of exogenous polyamines on growth， toxicity， and profile of dinoflagellate Alexandrium minutum ［J］. Journal Food Hygienic Society of Japan， 2003，44（1）：49-53.

［10］ Johnsen G， Kalloken R， Eikrem W， et al. Eco-physiology，bio-optics and toxicity of the ichthyotoxic chrysochromulina leadbeateri （Prymnesiophyceae） ［J］. Journal of Phycology， 1999，35：1456-1476.

［11］ Gentien P. Bloom dynamics and ecophysiology of the Gymnodinium mikimotoi species complex ［J］. Physiological Ecology of Harmful Algal Bloom， 1998，41：155-173.

［12］ 周名江，朱明遠(yuǎn).“我國近海有害赤潮發(fā)生的生態(tài)學(xué)、海洋學(xué)機制及預(yù)測防治”研究進展 ［J］. 地球科學(xué)進展， 2006，21（7）：673-679.

［13］ 冀曉青，韓笑天，白 潔，等.微藻化感作用及化感物質(zhì)在赤潮演替中的作用 ［J］. 海洋科學(xué)， 2011，35（2）：92-98.

［14］ 付 敏，趙衛(wèi)紅，苗 輝，等.高效液相色譜法測定海水中游離態(tài)腐胺、亞精胺和精胺 ［J］. 分析化學(xué)， 2010，38：1445-1449.

［15］ Nishibori Naoyoshi， Nishii Akinori， Takayama Haruyoshi， et al. Detection of free polyamine in coastal seawater using ion exchange chromatography ［J］. Journal of Marine Science， 2001，58：1201-1207.

［16］ Lee C， J?gensen N O J. Seasonal cycling of putrescine and amino acids in relation to biological production in a stratified coastal salt pond ［J］. Biogeochemistry， 1995，29：131-157.

［17］ Badini L， Pistocchi R， Bagni N， et al. Polyamine transport in the seaweed Ulva Rigida （Chlorophyta） ［J］. Journal of Phycology，1994，30：599-605.

［18］ 張述偉.東海近岸海域溶解態(tài)碳和氮的分布變化特征 ［D］. 青島：中國海洋大學(xué)， 2012.

［19］ 趙衛(wèi)紅，王 軍，李彩艷，等.中肋骨條藻體內(nèi)及培養(yǎng)液中的游離態(tài)多胺 ［J］. 濟南大學(xué)學(xué)報， 2014，28（3）：165-169.

［20］ Hofle M G. Degradation of putrescine and cadaverine inseawater cultures by marine bacteria ［J］. Applied Environmental Microbiology， 1984，47：843-849.

［21］ 梁叢叢，趙衛(wèi)紅，苗 輝，等.生物胺對赤潮藻生長的影響作用初探 ［J］. 海洋與湖沼， 2013，44（3）：709-716.

［22］ 劉 艷，趙衛(wèi)紅，苗 輝，等.不同營養(yǎng)鹽條件下東海赤潮高發(fā)區(qū)圍隔生態(tài)系內(nèi)多胺的變化 ［J］. 生態(tài)學(xué)報， 2015，35（8）：1-8.

［23］ 劉誠剛，寧修仁，郝 鏗，等.海洋浮游植物溶解有機碳釋放研究進展 ［J］. 地球科學(xué)進展， 2010，25（2）：123-132.

［24］ 劉文臣，王 榮.海水中顆粒有機碳研究簡述 ［J］. 海洋科學(xué)，1996，5：21-23.

致謝：本實驗的現(xiàn)場采樣及樣品測定由中國海洋大學(xué)王江濤教授實驗室協(xié)助完成，在此表示感謝.

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

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目（2010CB428701）；國家自然科學(xué)基金資助項目（40976047，41276118）

* 責(zé)任作者， 研究員， whzhao@qdio.ac.cn

劉 艷（1978-），女，山東泰安人，講師，博士研究生，主要研究方向為海洋環(huán)境化學(xué).發(fā)表論文4篇.