第四章 海洋磷循环-2

海洋中磷的测定方法海水中的磷酸盐的测定方法：基本原理:磷钼黄→磷钼蓝7PO43-+21NH4++12Mo7O246-+72H+=7(NH4)3[PMo12O40]+36H2O磷钼黄在酒石酸锑钾存在下，磷钼酸中的一部分Mo6+离子被抗坏血酸还原成Mo5+,生成叫做“钼蓝”的物质，也就是磷钼黄被还原成磷钼蓝，在885nm下进行比色测定。(NH4)3[PMo12O40]H3PO4∙2Mo2O5H3PO4∙10MoO3∙2Mo2O5主要干扰元素：Si,Fe及微量的As,Cr,Nb等。消除干扰方法：除Si:控制适当酸度。磷钼杂多酸与硅钼杂多酸生成的酸度不同，磷钼杂多酸生成的酸度较高，在控制较高的酸度下，加入钼酸铵后立即加入还原剂可避免硅钼蓝生成。除Fe：Fe的存在会消耗大量抗坏血酸，通常可以加氟化钠使其和成稳定的[FeF6]3-络离子，抑制与抗坏血酸的反应，海水中Fe很少，加酒石酸锑钾也能掩蔽Si和Fe的干扰。除微量的As,Cr,Nb：加入酒石酸锑钾和氟化钠可消除干扰，由于海水中较少，所以一般不加氟化钠。方法名称检测范围（µmol/L)精密度(%)文献磷钼蓝法（M-R)0.02~282~15Denies(1920);MruphyandRiley(1962)；SricklandandParsons(1972);BrobergandPetterson(1988)有机溶剂萃取法0.002～0.81ReenfieldandKalber(1955);Stephen(1963);Pauletal(1960);StricklandandParsons(1972)氢氧化镁共沉淀Mg(OH)2(MAGIC)~2.81~3KarlandTien(1992);Thomson-BulldisandKarl(1998)流动注射法（FIA)0.03~1.51~3KorenagaandSun(1996);Perez-Rietal(2001))毛细电泳法0.5～1003Himeno(2002)电化学法--Stevens(1979)色谱法--Glazier&Arnold（1988酵素分析法--HaddadandJackson(1990)荧光分析法0.1~111~3TomasPerez-Ruiz(2001)导数分光光度法0~133~12王尊本（1991）磷钼酸-孔雀-PVA体系分光光度法--Hashitanietal.(1987)水体中几种磷的测定方法流动注射分析1.Precision1.5%at3M2.DetectionLimit0.05M3.90samplesperhourPump50oCSWIVMixedReagentsDAscorbicAcidIVInjectionValveDDetector(885nm)(JohnsonandPetty,Anal.Chem.,54,1185,1982)水体中磷的赋存形式归纳起来水体中磷的赋存形式包括6种形式：SRP,DAHP,DOP,TDP,PIP,POPTP,DTP中均含有机磷，需要进行测定前处理，将其氧化分解成无机磷酸盐，然后测定，通常采用高温氧化或加入强氧化剂进行氧化消解。如过氯酸钾消化氧化法，过硫酸钾消化氧化法，UV照射法。水体中的不同形态磷的分析方法水体中的不同形态磷的分析方法（续）近年来，发现浮游植物不仅可以直接利用无机磷，还可吸收部分有机磷，揭示了有机磷对海洋生态系统可能起到一个关键的营养补给的作用，从而促进了有机磷的形态细分研究!随着核磁共振(NMR)等现代仪器分析技术的应用，成功地建立了较为可靠的DOP分析新方法，分离并测定了海洋环境中有机磷的单体形态，如磷酸单酯(Phosphomonoester),核苷磷酸盐(P-nucleosides),多聚磷酸盐(Polyphosphates),偏磷酸盐(Metaphosphate),膦酸酯(Phosphonate)等，可望成为探索有机磷生物地球化学的重要研究方向。沉积物中磷的分析方法：沉积物中的磷根据不同的提取方法分成几种形态，提取出的磷转化成可溶解态无机磷，然后按溶解无机磷的测定方法进行测定。沉积物中磷的连续分级提取方法沉积物中磷的连续分级提取方法（续）综观水环境中生源要素磷的赋存形态及其分析方法研究进展，建立水体及其沉积物中痕量、超痕量不同形态磷(尤其是有机磷的单形态)的创新分析方法，沉积物中各形态磷的专属性提取剂及其提取有效性的分子表征与检测，同时结合宏观与微观尺度上的生源要素磷生物地质学和不同形态磷的迁移“循环与转化”的理论模拟等方面将是未来的重要前沿研究领域，这对于探索全球磷循环，揭示生态环境演化具有重要的科学意义。海洋中磷限制问题历史上对海洋系统中磷酸盐的研究相对氮的研究要少，因为磷酸盐一直不被认为会成为典型的限制营养盐。虽然越来越多的水域被认为存在磷的限制，但大部分海洋系统中常常出现的是硝酸盐限制，铁限制。最近的研究表明整个海洋生态系统可能是硝酸盐限制的，但系统内的部分区域存在着磷限制。另外人类活动的影响，使大量超过RedfieldN/P比值的营养盐输入到海洋，从而使部分系统磷限制越来越严重。磷与海洋初级生产1934年研究者发现在深海中海洋有机物和溶解营养盐浓度的C/N/P的元素组成惊人的相似。这就使他们假设浮游生物具有相对固定的C/N/P的元素比值。这个比值就是著名的Redfield比值。AlfredRedfield是第一个发现的。这个比值经受住了时间的检验，而且在所有的大洋盆地均重复出现。这个比值的普遍存在使人们意识到自养生物是按这个比例吸收氮和磷的，并且死亡分解双将这些元素释放回海水中。Redfield指了浮游生物的N/P比值的平均值（16）与深海中的比值（15）相似，并非是一种巧合或浮游生物适应海洋中的计量比值，而是浮游植物调整成海洋的N/P比值以适应固氮的需要。海洋中磷的浓度并不是由河流的输入与沉积物埋葬输出比例来设定的，而是因蓝细菌固氮的无机氮浓度而调整N/P比值的。因此当氮成为限制初级生产的元素时，氮固定生物会为生态系统提供无机氮，在地质时间尺度上，磷限制着海洋生态系统的生产力。象蓝细菌这样的固氮生物在氮固定过程中需要大量铁，而在大洋寡营养区域，铁的输入很少，氮固定受到铁的限制，进而使世界大洋中仍保持着氮限制情况。而固氮生物可能受到磷限制，再加上铁限制，因而在一些大洋区域磷的可利用性可能限制着氮的固定。Redfield比值并非是所有海洋生物的最适比值，这只是一个不同物种N/P比值（8.2～45）的平均值，不同物种的N/P比值会随着它的生态条件而变化的。更进一步地讲，Redfield比值的变动事实上是响应于藻类营养水平、分类关系、是否磷吸附在生物体表面还是进行细胞内等。北太平洋副热带环流区ALOHA站9年观测结果显示水体中的氮和磷的贮池存在复杂的相互作用，表明目前该区浮游生物生长速率处于净氮固定隐退而磷控制的时期。从长时间尺度和大范围来讲，在开放海洋环境是氮限制还是磷限制主要取决于氮固定和反硝化的平衡情况。目前的磷限制，在缺乏氮固定情况下可以转化成氮限制。同样的，在大西洋的观测也表明大西洋海盆中存在磷的限制或者共同限制，在过去的50多年里北半球海洋海水的N/P比值存在时间的波动变化，这也表明海洋碳循环的生物部分是处于不稳定状态。但人们必须意识到颗粒物质藻细胞所测得的N/P比值会受到磷在表面吸附和进入细胞内的磷量分配的影响。藻细胞总的C/N/P比值的结果会显现出Redfield比值，但细胞内部则高于Redfield比值。一些pico级的浮游植物会在低磷浓度下生存，如原绿球藻(Prochlorococcus),巨球藻（Synechococcus),因而由它们产生的有机物质的元素比例会与Redfield比值不同。上面的观测结果在实际应用时一定要将适当地评估浮游植物营养状态水平，了解浮游植物的营养需求以及测定各种浮游植物磷贮池进行综合考虑。理想状况下，还可以结合限制方面的遗传和生理学方面的测定。有机磷形态的利用在海洋中大多数情况下有机磷不能被活体生物所直接利用，因为有机磷不能被细胞直接吸收。有机磷需要转化成正磷盐后才能被生物吸收利用。为了响应磷限制，有些浮游植物种类会产生酶以催化有机物水解分裂释放出磷酸盐。象碱性磷酸酶就可以在磷限制情况下大量产生，以分解有机磷。此外细胞分解还会释放了专属酶，如磷酸单酯酶、磷酸二酯酶、核酸酶、核酣酸酶等，以分解专属的有机磷。在海洋的大部分区域，特别是表层水中，溶解磷主要是以溶解有机磷（DOP）形式，因而这些区域的生产力主要依靠有机物矿化再生出来的生物可利用的磷。DOP的再生成为这些区域生物可利用磷的主要来源。在太平洋寡营养环流区的ALOHA站观测到的生物可利用有机磷超过了SRP，浮游植物主要利用DOP做为磷源。浮游植物的各类不同，其对磷的需求也会不同，因而浮游植物的C/N/P比值也会不同。这可以通过加富实验显现了来。如赫氏圆石藻（Emilianiahuxleyi）赤潮发生低NO3/PO4情况下。这也意谓着E.huxleyi快速生长需要较高浓度的磷酸盐。浮游植物是否受水体中磷酸盐的胁迫，可以通过测定碱性磷酸酶来评估，磷酸盐浓度越低，生物产生的磷酸酶会越多。在MontereyBay,California，甲藻可以通过碱性磷酸酶利用有机磷来补充磷的需求，而与其共存的硅藻则不行。我们在东海也发现这个现象。磷对海洋固氮的限制一些浮游植物,象束毛藻（Trichodesmiumspp.)、其它固氮菌具有固定大气中N2的生理功能，但它们固定N2的能力会受到磷酸盐（和痕量金属）生物可利用性的限制。在热带寡营养区的单细胞固氮蓝细菌可以更好适应低磷环境是因为其粒径小，有较高的比面积以利用对磷酸盐的吸收。具有利用DOP的固氮菌在营养盐竞争中具有一定优势。例如束毛藻（Trichodesmiumspp.)可以清除有机磷中专属的有机磷——膦酸酯，以前认为不可能被生物体利用的磷源。从地质时间尺度来看，海洋磷的贮池是海洋生产的全部有机物量所需要磷的限以上，也就是说不存在磷限制。但从地质时间瞬间来看，海洋的初级生产会因为其它因素（铁、光、营养盐或其它限制因子）的影响而低于这个磷限。大洋寡营养区中的外源磷主要通过大气尘埃沉降来补充，铁也是通过这个途径。气溶胶中的磷浓度和形态会随着尘埃来源不同和季节不同而发生变化。在大洋的高营养低叶绿素区域，铁能够提高初级生产。总起来讲，这些地区呈现的是氮限制，而氮固定是受到磷和铁的限制。目前对于探讨浮游植物生长的营养盐限制问题，有以上三种方法：（1）营养盐比例法。水体中的浮游植物大体是按Redfield比例（N∶P∶Si=16∶1∶16）吸收营养盐，因此可以根据水体中营养盐浓度的比例，判断水体中营养盐限制情况。这种方法简单，缺点是只能大体了解水体中营养盐的大致情况供求情况，不能就此得出精确的结论。（2）室内培养的方法。但这种方法毕竟是实验室里的人工环境，与现场的实际情况还有一定的差距。（3）营养盐加富现场培养实验。通过浮游植物生物量或数是的变化情况来反映营养盐的作用。相比较而言，这种方法更接近于自然状况，减少了与实际情况的差别，得出的结果相对更准确，是检验水体中营养盐限制的较好的办法。