溶解有机质的持续生成-降解提供了从陆地到海洋端元的生物地球化学过程信号
Khan M. G. Mostofa
1、2 *，
Hiroshi Sakugawa3.，杰元4，Cong-Qiang刘1、2，
尼古拉Senesi
5，
穆罕默德Mohinuzzaman
1、6，我刘1、2，
Xuemei杨
1，
大卫。Vione
7、8而且
Si-Liang李
1、2
- 1天津大学地球系统科学学院，天津
- 2天津大学环渤海地球临界区科学与可持续发展天津市重点实验室，天津
- 3.广岛大学生物圈科学研究生院，环境动力学与管理系，日本广岛
- 4邢台学院资源与环境学院，河北邢台
- 5倾斜。到di Scienze del Suolo, della Pianta e degli Alimenti, Università degli Studi di Bari“Aldo Moro”，意大利巴里
- 6孟加拉国诺阿卡利科技大学环境科学与灾害管理系
- 7Università degli Studi di Torino, Dipartimento di Chimica，都灵，意大利
- 8意大利，格鲁利亚斯科，分诊中心
简介
由阳光驱动的光合作用涉及陆地土壤中的植物和微生物以及淡水和海水中的浮游植物，是环境中发生的最重要的生物地球化学过程之一。它不断地控制着大多数天然有机物(NOM)的生产，这是我们星球上所有生态系统的基本组成部分。陆地土壤中的溶解有机质(DOM)由NOM生成，取决于三组关键属性，即物理属性(包括温度和湿度)、化学属性(包括养分有效性、有效氧量和氧化还原活性)和微生物属性(如微生物群落演替模式和好氧和厌氧微生物的有效性)。然后，陆地上的DOM部分通过地表径流和地下水淋滤转移到地表水(Kritzberg等人，2004年；Catalán等，2016；扎克和迪特马尔，2018年；莫斯塔法等人，2019年；Mohinuzzaman等人，2020年；Yi等，2021)．而原生水生DOM则来自地表水中的浮游植物(Yamashita和Tanoue, 2004；Zhang et al.， 2009；Guidi等人，2016；弗莱明等人，2016；沙米等人，2017a；Igarza等人，2019年；Yang等，2021)．因此，在地表水环境中出现了陆生和水生DOM的复杂混合物(Kritzberg等人，2004年；扎克和迪特马尔，2018年；Yi等，2021)，通过荧光特性(FDOM)和激发-发射矩阵(EEM)荧光光谱结合并行因子(PARAFAC)建模(Yamashita和Tanoue, 2004；Zhang et al.， 2009；沙米等人，2017a；Mohinuzzaman等人，2020年；Yang等，2021；Yi等，2021)．然而，仍然缺乏对陆地(异源)和原生水生DOM成分的清晰、全面的了解，以及它们的来源、同时的生产-降解过程和通过淡水从土壤向海洋运输的途径，以及它们的生物地球化学联系。
DOM从陆地源向海洋环境的转变
根据最新的研究结果，在图1并总结如下。公认土壤DOM主要由腐殖质(HS)组成，包括腐殖酸(HA)、富里酸(FA)和蛋白质样物质(PLS) (图1 a - c，森林土壤)，其中荧光峰已在其他地方详细讨论(Mohinuzzaman等人，2020年)．陆地上的HS部分释放到环境淡水中通过地下水浸出及地表径流(图1D, E, F）．特别是两种地面成分FA和PLS已完全降解(莫斯塔法等人，2019年)，因为它们在光化学和微生物降解过程中不稳定(图1)，只有HA部分在从土壤到溪流再到沿海海水的运输过程中持续存在(莫斯塔法等人，2019年)，可能是由于其大分子结构(Senesi和Loffredo, 1999；Mohinuzzaman等人，2020年)．
图1来自土壤中陆地植物、动物和微生物的天然有机质(NOM)和来自水中浮游光合生物的整体连续不断的光合生产流程图。图1左:土壤腐殖酸- ha的来源(一)，富里酸- fa(B)和蛋白质样物质- pls(C)]从陆地上的NOM及其随后的径流/淋入地表水，首先进入河流[陆地上的ha类(D)，类陆地fa(E)，像地球pls(F)]，然后流入下游河流(只有陆生ha类物质，(G)，然后注入近海海水((H)，水深0-10米)及近海中部海水((我)， 0-10 m深度)，最后进入近海上部((J)深度0 ~ 15 m)(K)， 20-300米)濑户内海海水。图1右图:细胞外聚合物质(EPS，(左)从浮游植物及其随后的降解，首先转化为C-和m型的原生ha样物质(AHLS)的组合形式(M)以及一种新释放的原生蛋白样物质(apl，(N)，然后转化为它们各自的组件，即AHLS转化为c型(O)和斜(P)和apl变成蛋白质样物质(问)，色氨酸类物质(右)，酪氨酸类物质(年代)等。在上述两种DOM系统的所有转化过程中，矿化最终产物不断产生，只有陆生ha样物质最终没有完全降解，而原生DOM通过白天阳光诱导和夜间微生物降解在一个24小时周期内完全降解。
在一项对DOM中陆地HA组分沿流动(土壤→河流→河流→海洋)荧光行为的研究中，当到达海洋时，测量到从较短波长到较长波长的激发-发射(Ex/Em)峰值最大值的红移(峰C:流330/455;河315/402;海的350/473;峰值A:流250/455;河240/402;海260/473海里)(图1) （莫斯塔法等人，2019年；Mohinuzzaman等人，2020年)．这种红移可归因于陆地上的HAs到达海水时发生的盐度效应，可能是由于与金属离子形成稳定的配合物(Wu et al.， 2004；Plaza等人，2006年；Mostofa等人，2013；莫斯塔法等人，2019年)．入海后，海水向近海方向流动，决定了荧光峰(C和a)向波长逐渐蓝移(表层水域分别为325/461和255/461 nm，较深水域分别为345/462和255/462 nm)，这些波长比近岸至中近海水域出现的波长(分别为345/461和260/461 nm)短。显然，陆地类HA物质在土壤、溪流、河流的运输过程中逐渐转变，然后转移到沿海、中岸和近海海域，在那里HA达到了相对不耐化学反应的性质。这一行为通过放射性碳定年法得到了证实，显示了的增加14C从土壤到内陆水域，然后到海洋水域(Catalán等，2016)．重要的是，光化学和微生物降解过程以及水文过程，特别是碳酸盐和硅酸盐风化作用，将在整体转化过程中发挥重要作用，并伴随着化学物种的运输(Catalán等，2016；Igarza等人，2019年；莫斯塔法等人，2019年；刘等，2020；钟等，2020；Yi等，2021)．
浮游群落原生DOM的起源及其转化
不同的是，原生DOM来自于光化学过程和浮游光合生物的微生物呼吸作用(Yamashita和Tanoue, 2004；Zhang et al.， 2009；弗莱明等人，2016；Guidi等人，2016；沙米等人，2017a；Yang等，2021；Yi等，2021)．后者被认为负责约50%的海洋初级生产，并为海洋环境中的全球生物碳泵提供燃料(Guidi等人，2016)．胞外聚合物质(EPS)主要来自浮游生物群落，被认为是新形成的DOM的早期阶段(弗莱明等人，2016；沙米等人，2017a)．EPS尚未转化为单独的有机成分，主要由多糖、蛋白质、核酸、脂质、表面活性剂和腐殖质样物质(弗莱明等人，2016)．EPS中的荧光部分，主要是蛋白样和腐殖酸样部分，首先转化为以下成分，EEM-PARAFAC可以监测/检测这些成分:(我) C型和m型原生类腐殖质(AHLS)的组合形式，以及(2)新释放的原生蛋白样物质(沙米等人，2017a；Yang等，2021)．AHLS依次演化为C型和m型，而apl则逐渐演化为蛋白样、色氨酸样、酪氨酸样和苯丙氨酸样物质(图1) （Yang等，2021)．所有这些物质通常在地表水中检测到，特别是在池塘和湖泊等死水体内，但也在河口和海洋中检测到(Yamashita和Tanoue, 2004；沙米等人，2017a；Yang等，2021；Yi等，2021)．最后，所有单独的组分都被光化学和微生物降解为低分子量(LMW) DOM和矿化最终产物，包括气态CO2可溶性无机碳(DIC)和营养物质(如NO3.−和阿宝43−) （图1) （Igarza等人，2019年；Yang等，2021；Yi等，2021)．不同的是，EPS中的碳水化合物和脂类部分不显示任何荧光，而是在地表水中随着光化学和微生物降解/矿化而水解(Zhang和Bishop, 2003；Adav等人，2008年；沙米等人，2017b)．关于原生DOM的起源及其随后的白天光诱导和夜间微生物降解的详细信息已在其他地方广泛讨论(Yang等，2021)．
讨论
基于上述结果，可以将上述两种DOM系统的特征及其生物地球化学转化过程总结如下:陆生fa类物质和pls类物质在运输过程中被广泛降解，而陆生ha类物质仅通过光化学和微生物过程被部分降解(Amador等人，1989年；Catalán等，2016；莫斯塔法等人，2019年)，因为它们的大分子大小(Senesi和Loffredo, 1999；Mohinuzzaman等人，2020年)．因此，HA的大分子大小只是可能解释其顽固性的一个特征，因此可以用来确定放射性碳定年法(Catalán等，2016；Tadini等人，2018)．此外，从湖泊中提取的腐殖质物质在光诱导降解和长时间照射下产生各种长链脂肪族和芳香族有机酸，这导致它们的浓度下降，并伴随矿化到最终产物(科林等人，1996年)．同样，许多脂肪族和芳香族副产物被发现是由水生DOM在热解过程中产生的(Leenheer和Croué， 2003)．研究还表明，各种羧酸(草酸、丙二酸、甲酸、乙酸等)往往是DOM光诱导降解的主要副产物，在地表水中约占25.0-34.4% (Bertilsson等人，1999；Bertilsson和Tranvik, 2000；马和格林，2004年)．同时，浮游起源的EPS迅速转化为AHLS和apl，它们进一步转化为单个成分，最终降解产生低分子量DOM和矿化最终产物(Yang等，2021)．
在夏季的高空气/高水温条件下，原生水生FDOM的完全降解发生在24小时的循环内，但在低温月份则不然(Yang等，2021)．在南极冰川环境中也得到了类似的结果，其中初级产品的渗出物在24小时内被异养菌利用并支持细菌的生长需求(史密斯等人，2017)．同样，在58小时内，实验检测到类似的腐殖质样组分对EPS的完全光诱导降解，同时DOC浓度从非常高的(308.97±1.20 mg . l)降低约38.4%−1) DOC初始浓度(沙米等人，2017b)．
因此，陆地(异源)和水生(原生)DOM的关键区别在于，后者在夏季24小时内完全降解，而陆地DOM只有fa样和pls样的部分(而不是ha样的部分)可以在水体中完全降解。在白天阳光诱导降解和夜间微生物降解作用下，异源DOM和本地DOM的矿化终产物都是连续产生的。特别是,现场太阳辐照实验研究表明，溶解无机碳(DIC:溶解CO2H2有限公司3., HCO3.-，及CO3.2 -)河水的光产率(0.04 ~ 0.22 mg/L)远低于湖水(0.21 ~ 0.73 mgC/L)，而DOC的浓度分别为33.22 ~ 33.22 mg/L和1.88 ~ 2.40 mg/L (马和格林，2004年)．对于腐殖质湖水(0.086-0.41 mg C/L天)，DIC也获得了类似的结果现场光照射样本(Granéli等，1996)．此外，多项实验研究还表明，原位荧光芳香族氨基酸(如色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸)、PLS和腐殖质类物质可产生溶解的无机氮，如NH4+也没有x-在地表水(Bushaw等人，1996年；伯曼和布朗克，2003；Stedmon等人，2007年；Zhang等，2021)．由于这些最终产品作为营养物质，它们不断促进地表水中浮游光合生物的繁殖，同时促进全球碳循环和气候变化(莫普等人，1991年；Bushaw等人，1996年；莫兰和泽普，1997年；伯曼和布朗克，2003；钟等，2020；Mostofa等人，2013)．综上所述，NOM的持续产生及其转化/矿化是碳、氮、磷、溶解氧和微量金属循环的主要支柱过程，也是维持包括人类在内的所有生物生命的主要支柱过程，因此，加深对NOM的理解至关重要，特别是因为气候变暖决定了夏季地表水分层周期的延长。
作者的贡献
KMGM设计并构思了该项目。HS、KMGM、C-QL提供了关键数据源。JY、MM、YL、XY进行EEM-PARAFAC分析。KMGM、NS撰写了手稿。DV和S-LL对稿件进行了审阅和编辑。所有作者都对这篇文章做出了贡献，并批准了提交的版本。
资金
国家自然科学基金(42221001,41925002)和海河可持续化学转化实验室资助。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文中所表达的所有主张仅代表作者，并不代表他们的附属组织，也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品，或可能由其制造商提出的声明，都不得到出版商的保证或认可。
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关键词:天然溶解有机物，荧光溶解有机物，淡水，海水，光降解，微生物降解
引用:Mostofa哈,Sakugawa H,元J,刘C-Q, Senesi N, Mohinuzzaman M,刘Y,杨X, Vione D和李的(2022)连续production-degradation溶解有机物提供了信号从陆地到海洋的元素的生物地球化学过程。前面。3月科学。9:1044135。doi: 10.3389 / fmars.2022.1044135
收到:2022年9月14日;接受:2022年10月31日;
发表:2022年11月14日。
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*通信:Khan M. G. Mostofa，mostofa@tju.edu.cn