海洋监测技术3海洋有机物质课件

海洋有机质生命出现的年代l距今距今 42 亿年，原始大气层和海洋刚形成时，很可亿年，原始大气层和海洋刚形成时，很可能就出现了生命。能就出现了生命。l距今约距今约39亿年，地球惨遭陨星撞击，生命被彻底亿年，地球惨遭陨星撞击，生命被彻底摧毁，一切从头开始。摧毁，一切从头开始。l距今距今38亿年，生命或许就重新开始了：格陵兰西亿年，生命或许就重新开始了：格陵兰西部发现含有碳氢化合物的化石。部发现含有碳氢化合物的化石。生命产生的机制（1）无机合成说）无机合成说l19世纪早期，维勒首次在实验中人工合成了尿素，世纪早期，维勒首次在实验中人工合成了尿素，有机化学就此创立：有机化学就此创立：有机物在没有活体生物介入有机物在没有活体生物介入的情况下也能产生。的情况下也能产生。l20世纪世纪20年代，俄罗斯生物化学家奥巴林猜想：年代，俄罗斯生物化学家奥巴林猜想：小油滴小油滴 球形细胞球形细胞 有机大分子有机大分子 酶酶 蛋白质蛋白质l1953年，芝加哥大学研究生斯坦利年，芝加哥大学研究生斯坦利米勒：米勒：CH4+NH3+H2+H2O 25个氨基酸分子个氨基酸分子l辐射和紫外线等引入，合成出更复杂的辐射和紫外线等引入，合成出更复杂的 分子，其分子，其中就有形成核酸的基本要素中就有形成核酸的基本要素腺嘌呤。腺嘌呤。无机合成说无机合成说存在问题：存在问题：合成的分子如何最终形成合成的分子如何最终形成生命？至今还不清楚，生命？至今还不清楚，问题的核心不问题的核心不在于氨基酸，而在于蛋白质在于氨基酸，而在于蛋白质。太空说太空说 l1871年，开尔文勋爵提出：年，开尔文勋爵提出：“生命的种子可能是生命的种子可能是陨石带到地球的陨石带到地球的”。l1969年年9月，澳大利亚墨奇森陨石的年代月，澳大利亚墨奇森陨石的年代达达45亿年亿年，令人惊讶的是，其上布满了令人惊讶的是，其上布满了74种氨基酸种氨基酸，其中，其中8种跟形成地球上的蛋白质有关。种跟形成地球上的蛋白质有关。2001年的分析表年的分析表明，其还含有一系列复杂的明，其还含有一系列复杂的糖糖。l2000年年1月，加拿大塔吉什湖的碳质球状陨石同样月，加拿大塔吉什湖的碳质球状陨石同样存在丰富的有机化合物。存在丰富的有机化合物。l哈雷彗星大约哈雷彗星大约25%是有机分子，要是它们经常坠是有机分子，要是它们经常坠落在地球上，地球就有了生命所需的基本元素。落在地球上，地球就有了生命所需的基本元素。太空说太空说 存在问题：存在问题：l没有回答生命是如何产生的，没有回答生命是如何产生的，只是把责任推到别的地方。只是把责任推到别的地方。l证据仍不足。证据仍不足。生命出现的形式l2001年发现，在海洋热液区，古生菌可能是数量最年发现，在海洋热液区，古生菌可能是数量最丰富的有机体，它们可以承受高盐（丰富的有机体，它们可以承受高盐（S=35）、高温）、高温（113C）、高压和强酸性（）、高压和强酸性（pH=1）。）。l在地球生物演化的早期阶段，这些微生物或许曾繁在地球生物演化的早期阶段，这些微生物或许曾繁荣昌盛，更好地了解他们，可为研究生命起源提供荣昌盛，更好地了解他们，可为研究生命起源提供一个新的视角。一个新的视角。一、海洋有机生物地球化学循环的重要性海洋有机组分的研究对于探索地球生命起源具有海洋有机组分的研究对于探索地球生命起源具有一定意义。一定意义。有机组分构成所有生物的组织，同时也是异养生有机组分构成所有生物的组织，同时也是异养生物的主要食物来源。物的主要食物来源。生物除了将有机组分作为生长所需物质与能量来生物除了将有机组分作为生长所需物质与能量来源外，还利用其作为相互联系的中介。源外，还利用其作为相互联系的中介。信息素、有毒组分、解毒剂信息素、有毒组分、解毒剂通过络合、吸附作用与许多痕量元素结合，影响通过络合、吸附作用与许多痕量元素结合，影响其地球化学行为与生物活性。其地球化学行为与生物活性。颗粒有机物是生源要素沉降迁出、埋藏的主要载颗粒有机物是生源要素沉降迁出、埋藏的主要载体，对生源要素生物地球化学循环有明显影响。体，对生源要素生物地球化学循环有明显影响。影响沉积物性质，如增加颗粒黏性，限制其再悬影响沉积物性质，如增加颗粒黏性，限制其再悬浮，为底栖生物提供充足食物来源；提供化石燃浮，为底栖生物提供充足食物来源；提供化石燃料形成以及古海洋学事件的信息。料形成以及古海洋学事件的信息。海洋有机生物地球化学循环的重要性海洋有机生物地球化学循环的重要性 l研究与还原性碳相关的物质，揭示海洋生态系结构、研究与还原性碳相关的物质，揭示海洋生态系结构、功能与演化。功能与演化。l研究组分均包含碳，且每个碳都与研究组分均包含碳，且每个碳都与H、O、N、S等等共价结合，形成具有不同粒径、不同极性、不同共价结合，形成具有不同粒径、不同极性、不同电荷以及不同环境行为的各种分子。电荷以及不同环境行为的各种分子。二、海洋有机地球化学研究范畴l海洋有机物至少一半以上仍未鉴定出来。海洋有机物至少一半以上仍未鉴定出来。l海洋有机组分是不同来源、不同年龄、不同反应历海洋有机组分是不同来源、不同年龄、不同反应历史的集成产物，通常采用的分子水平的分析方法仅史的集成产物，通常采用的分子水平的分析方法仅仅测定某一组分，往往不能代表混合物的整体。仅测定某一组分，往往不能代表混合物的整体。三、海洋有机地球化学的挑战如何鉴别、定量出每一种有机组分？如何鉴别、定量出每一种有机组分？第2节海洋有机物的组成一、海洋有机组分的分析（1）平均分子组成：）平均分子组成：C106(H2O)106(NH3)16PO4 实际上：由一系列不同分子组成，从低分子量实际上：由一系列不同分子组成，从低分子量 的烃类（的烃类（CH4）到高分子量的聚合物）到高分子量的聚合物 （腐殖酸）。（腐殖酸）。有机组分的存在形式有机组分的分析技术方法方法测量特征测量特征参数数量参数数量预处理方法预处理方法样品量样品量元素分析元素分析C、H、O、N、S5灼烧灼烧 1 mg稳定同位素分析稳定同位素分析13C、2H、18O、15N、32S5灼烧灼烧 1 mg放射性同位素分析放射性同位素分析3H、14C2灼烧灼烧 1 mg红外光谱红外光谱功能团功能团20溶解、有机提取溶解、有机提取100溶解、有机提取溶解、有机提取100溶解、有机提取溶解、有机提取100溶解、有机提取溶解、有机提取 1 mg整体分析技术：整体分析技术：分子水平分析技术分子水平分析技术对象对象类别类别预处理方法预处理方法色谱色谱检测器检测器碳水化合物碳水化合物类脂类脂非极性溶剂萃取非极性溶剂萃取气相气相火焰离子化火焰离子化脂肪酸脂肪酸类脂类脂碱性水解碱性水解气相气相火焰离子化火焰离子化脂肪醇脂肪醇类脂类脂碱性水解碱性水解气相气相火焰离子化火焰离子化甾醇甾醇类脂类脂碱性水解碱性水解气相气相火焰离子化火焰离子化烯酮烯酮类脂类脂非极性溶剂萃取非极性溶剂萃取气相气相火焰离子化火焰离子化叶绿素叶绿素色素色素非极性溶剂萃取非极性溶剂萃取液相液相荧光荧光类胡萝卜素类胡萝卜素色素色素非极性溶剂萃取非极性溶剂萃取液相液相紫外吸收紫外吸收氨基酸氨基酸胺类胺类酸性水解酸性水解液相液相/气相气相荧光荧光/火焰离子化火焰离子化核酸核酸核苷酸核苷酸分离分离液相液相紫外吸收紫外吸收中性糖中性糖碳水化合物碳水化合物酸性水解酸性水解离子色谱离子色谱/气相气相脉冲安培脉冲安培/火焰离子化火焰离子化酸性糖酸性糖碳水化合物碳水化合物酸性水解酸性水解离子色谱离子色谱/气相气相脉冲安培脉冲安培/火焰离子化火焰离子化木质素酚木质素酚酚类酚类CuO-NaOH气相气相/液相液相火焰离子化火焰离子化鞣酸鞣酸酚类酚类酸性水解酸性水解气相气相火焰离子化火焰离子化角质酸角质酸聚酯聚酯甲醇甲醇气相气相火焰离子化火焰离子化二、海洋有机储库的构成POM=POC2DOM主要由腐殖质和一主要由腐殖质和一些较活跃生化组分组成些较活跃生化组分组成三、有机组分的类别生物生物蛋白质蛋白质多糖多糖类脂类脂色素色素核酸核酸木质素木质素鞣酸鞣酸细菌细菌5570310520252000浮游植物浮游植物25505505203202000浮游动物浮游动物457035520152000维管植物维管植物25375535201154020木材木材14080301203545常见生物的主要生化组成常见生物的主要生化组成（OC%）地球化学重要有机组分的功能团分子式分子式功能团功能团/组分组分R-OH羟基：醇（羟基：醇（R=烷基）；酚（烷基）；酚（R=苯基）苯基）C=O R羰基：醛（羰基：醛（R=H）；酮（）；酮（R=烷基或苯基）烷基或苯基）C=O OR羧基：羧酸（羧基：羧酸（R=H）；酯（）；酯（R=烷基）烷基）-O-醚醚-NH2胺胺 C=O NH2酰胺酰胺-SH硫醇硫醇-S-硫化物硫化物C=C烯烃烯烃l蛋白质是细胞结构的构成部分，作为代谢调节、生蛋白质是细胞结构的构成部分，作为代谢调节、生物运动和防御的基础。物运动和防御的基础。l蛋白质由一系列氨基酸通过肽键结合而成，一般将蛋白质由一系列氨基酸通过肽键结合而成，一般将分子量大于分子量大于10000的多肽聚合物称为蛋白质。的多肽聚合物称为蛋白质。l氮含量通常被用来衡量活体生物的蛋白质含量。氮含量通常被用来衡量活体生物的蛋白质含量。l对于海洋浮游生物而言，蛋白质的氮约占浮游植物对于海洋浮游生物而言，蛋白质的氮约占浮游植物总氮的总氮的6070%。氨基酸和蛋白质l氨基酸：氨基酸：RCHNH2COOH。浮游生物蛋白质中最丰富的氨基酸：浮游生物蛋白质中最丰富的氨基酸：甘氨酸甘氨酸丙氨酸丙氨酸谷氨酸谷氨酸天冬氨酸天冬氨酸氨基酸氨基酸l活生物体中的氨基酸组成非常类似，但生物体外活生物体中的氨基酸组成非常类似，但生物体外壳有差别，如碳酸钙外壳富含天冬氨酸，而蛋白壳有差别，如碳酸钙外壳富含天冬氨酸，而蛋白石外壳中富含丝氨酸。石外壳中富含丝氨酸。l海水中氨基酸浓度介于海水中氨基酸浓度介于20250 g/L，占，占DOC的的23%。l海水中结合态氨基酸大多以酚海水中结合态氨基酸大多以酚-醌络合物或腐殖酸醌络合物或腐殖酸型络合物存在，分子量一般介于型络合物存在，分子量一般介于4001000。氨基酸氨基酸l通用分子式：通用分子式：Cn（H2O）m。l所有活体细胞工作和化学反应的能量来源，控制着所有活体细胞工作和化学反应的能量来源，控制着能量转换和遗传物质的传输，也是海洋颗粒有机物能量转换和遗传物质的传输，也是海洋颗粒有机物的重要组成部分。的重要组成部分。l可分为：单糖（仅一个碳链）、双糖和多糖。可分为：单糖（仅一个碳链）、双糖和多糖。碳水化合物海水中的主要单糖海水中的主要单糖（monosaccharides）葡萄糖葡萄糖 果糖果糖典型多糖典型多糖纤维素：纤维素：陆地植物陆地植物中化学性质非常惰中化学性质非常惰性的组分性的组分褐藻酸：褐藻酸：海洋藻类海洋藻类合成，具药用价值合成，具药用价值甲壳素：甲壳素：甲壳动物甲壳动物的外壳的外壳l含量含量 几百微克每升。几百微克每升。l高生产力海域一般具有高生产力海域一般具有较高颗粒态碳水化合物。较高颗粒态碳水化合物。颗粒态碳水化合物的含量与分布颗粒态碳水化合物的含量与分布太平洋太平洋l90-95%存在于溶解相存在于溶解相l溶解态含量：溶解态含量：mg/Ll高生产力近海含量较高高生产力近海含量较高溶解态碳水化合物的含量与分布溶解态碳水化合物的含量与分布类脂类脂类脂功能团特征功能团特征烃类烃类甾醇甾醇脂肪酸与脂肪脂肪酸与脂肪链烯烃链烯烃类脂类脂结构特征结构特征n-C17甲基、双键、甲基、双键、异戊二烯等异戊二烯等直链类脂直链类脂含支链类脂含支链类脂l化学式：化学式：CnHml低分子量（低分子量（C14）两类）两类l可分为可分为饱和饱和、不饱和不饱和和和芳香族芳香族三类，海水中常见三类，海水中常见的是烷烃和烯烃。芳香族烃类至少含一个苯环，的是烷烃和烯烃。芳香族烃类至少含一个苯环，一般认为它们主要由非生物过程产生。一般认为它们主要由非生物过程产生。烃类烃类生物生物主要烃类组分主要烃类组分说明说明硅藻和鞭毛虫硅藻和鞭毛虫n-C21:6 高度支链结构，某些硅藻含高度支链结构，某些硅藻含C20、C25和和C30红藻、绿藻和黄藻红藻、绿藻和黄藻n-C15和和n-C17部分含不饱和部分含不饱和n-C17蓝绿藻蓝绿藻n-C15和和n-C17部分含部分含n-C19:1、n-C19:2和和7-甲基庚烷和甲基庚烷和8-甲基庚烷甲基庚烷细菌细菌n-烃类烃类C15C30+之间的之间的n-烃类均匀烃类均匀分布分布浮游动物浮游动物桡足类：降植烷（桡足类：降植烷（C19）；）；摄食硅藻浮游动物：摄食硅藻浮游动物：n-C21:6降植烷来自叶绿醇支链降植烷来自叶绿醇支链陆地高等植物陆地高等植物n-C25至至n-C35+之间的烃类之间的烃类烃类作为生物来源的指标烃类作为生物来源的指标l脂肪酸、脂肪与蜡状物属羧酸一类，至少含一个羧脂肪酸、脂肪与蜡状物属羧酸一类，至少含一个羧基功能团（基功能团（-COOH）。）。l脂肪酸主要存在于动物的脂肪、植物的蜡状物中，脂肪酸主要存在于动物的脂肪、植物的蜡状物中，一般含碳原子数为一般含碳原子数为436个。个。l脂肪（脂肪（fat）：固体乙二醇酯）：固体乙二醇酯 油（油（oil）：液体乙二醇酯）：液体乙二醇酯脂肪酸和脂肪脂肪酸和脂肪l来自植物的脂肪酸以单数的碳原子链为主。来自植物的脂肪酸以单数的碳原子链为主。l陆地高等植物产生的脂肪酸碳链长度一般大于海陆地高等植物产生的脂肪酸碳链长度一般大于海洋浮游植物。洋浮游植物。l绝大多数脂肪酸是碎屑有机物降解过程中甘油三绝大多数脂肪酸是碎屑有机物降解过程中甘油三酯水解形成。酯水解形成。脂肪酸和脂肪脂肪酸和脂肪l存在于各种活体生物，起到激素与稳定类脂双分子存在于各种活体生物，起到激素与稳定类脂双分子层等的作用。层等的作用。l主要由植物合成，细菌不会合成与累积甾醇，动物主要由植物合成，细菌不会合成与累积甾醇，动物在摄食植物后，通常将其中的甾醇转化为胆甾醇。在摄食植物后，通常将其中的甾醇转化为胆甾醇。l甾醇具备作为植物标志物的潜力，较为常用的是应甾醇具备作为植物标志物的潜力，较为常用的是应用麦角甾醇指针真菌，黑海甾醇指针鞭毛虫，用麦角甾醇指针真菌，黑海甾醇指针鞭毛虫，-谷谷甾醇指针高等植物。甾醇指针高等植物。甾醇甾醇l含含37个碳与个碳与24个双键的直链链烯烃：个双键的直链链烯烃：（1）由少数几种海洋浮游藻类合成产生）由少数几种海洋浮游藻类合成产生 （2）链烯烃双键丰度与藻类生长的水温有关）链烯烃双键丰度与藻类生长的水温有关链烯烃链烯烃l碳、氮双键共轭系统碳、氮双键共轭系统l选择性吸收可见光选择性吸收可见光 l难溶于水，没有挥发难溶于水，没有挥发性，对热敏感性，对热敏感l叶绿素由植物和细菌叶绿素由植物和细菌合成合成色素l叶绿素叶绿素a：普遍存在于各种海洋浮游植物：普遍存在于各种海洋浮游植物l叶绿素叶绿素b：主要存在于绿藻和高等植物：主要存在于绿藻和高等植物l叶绿素叶绿素c：主要存在于硅藻和鞭毛虫：主要存在于硅藻和鞭毛虫l菌绿素：存在于紫色、绿色和棕色的硫光合细菌菌绿素：存在于紫色、绿色和棕色的硫光合细菌色素色素l具有多功能团的多组分混合物具有多功能团的多组分混合物l由细胞内组分聚集形成的大分子，在活体生物体内由细胞内组分聚集形成的大分子，在活体生物体内并不存在并不存在l黄色或棕色、无定形、疏水性、非均相、高度络合黄色或棕色、无定形、疏水性、非均相、高度络合l拥有一系列芳香组分与脂肪组分的功能团，但因互拥有一系列芳香组分与脂肪组分的功能团，但因互相结合在一起，导致其性质与母体明显不同相结合在一起，导致其性质与母体明显不同腐殖质腐殖质的溶解性质腐殖质的溶解性质腐殖质类别腐殖质类别溶解性质溶解性质其他化学性质其他化学性质富里酸富里酸（fulvic acid）溶于酸和碱溶于酸和碱较低分子量，芳香与聚集较低分子量，芳香与聚集程度较低，一般富含含氧程度较低，一般富含含氧功能团功能团腐殖酸腐殖酸(humic acid)不溶于酸，溶于碱不溶于酸，溶于碱较高分子量、更高程度的较高分子量、更高程度的聚合聚合胡敏素胡敏素(humins)不溶于酸和碱不溶于酸和碱腐殖酸经过脱水、聚合、腐殖酸经过脱水、聚合、功能团解离等变化后形成功能团解离等变化后形成腐殖化过程腐殖化过程l影响因素：氧、黏土影响因素：氧、黏土l氧：还原性环境的腐氧：还原性环境的腐殖质，聚合程度较低，殖质，聚合程度较低，碳含量较低，更多以碳含量较低，更多以高分子量组分存在。高分子量组分存在。l黏土矿物：黏土矿物黏土矿物：黏土矿物高区域，腐殖质含量高区域，腐殖质含量较高。较高。l海水海水DOM中，中，4080%以腐殖质存在，富里酸含以腐殖质存在，富里酸含量一般大于腐殖酸。量一般大于腐殖酸。l海水腐殖质含量与分布受海洋初级生产过程与陆海水腐殖质含量与分布受海洋初级生产过程与陆源物质输送的影响。源物质输送的影响。l海源腐殖质与陆源腐殖质的性质存在差异。海源腐殖质与陆源腐殖质的性质存在差异。海水中腐殖质的含量与分布海水中腐殖质的含量与分布陆源与海源腐殖质地球化学性质的比较陆源与海源腐殖质地球化学性质的比较项目项目海源腐殖质海源腐殖质陆源腐殖质陆源腐殖质有机组成有机组成1）富含脂肪类物质；脂肪碳）富含脂肪类物质；脂肪碳 约为芳香碳的约为芳香碳的2倍倍2）存在芳香组分，但不是主）存在芳香组分，但不是主 要成分要成分3）厌氧条件导致高聚合有机）厌氧条件导致高聚合有机 分子难以形成分子难以形成1）具有明显芳香核心结）具有明显芳香核心结 构；芳香碳占主导构；芳香碳占主导2）脂肪组分链连接到芳香）脂肪组分链连接到芳香 核心；含有更多多核环核心；含有更多多核环3）高程度氧化导致高程度）高程度氧化导致高程度 聚合聚合元素组成元素组成1）富里酸和腐殖酸碳含量分）富里酸和腐殖酸碳含量分 别为别为45-50%和和50-55%2）高氢）高氢3）高氮）高氮4）高硫）高硫1）碳含量变化大，可高达）碳含量变化大，可高达 65%2）低氢）低氢3）低氮）低氮4）低硫）低硫项目项目海源腐殖质海源腐殖质土壤腐殖质土壤腐殖质同位素组成同位素组成1）碳同位素组成较）碳同位素组成较“重重”：13C=-20-232）15N=9，硝酸盐为主要，硝酸盐为主要 营养盐营养盐3）2H变化较小，平均约变化较小，平均约 -1051）碳同位素较）碳同位素较“轻轻”：13C=-25-282）15N=2，细菌固定，细菌固定 大气大气N23）2H变化较大：变化较大：-50-100功能团功能团1）总酸度低，但变化范围大：）总酸度低，但变化范围大：主要由羧酸功能团贡献主要由羧酸功能团贡献2）醇羟基含量高）醇羟基含量高1）总酸度高：主要由羧酸）总酸度高：主要由羧酸 和酚羟基功能团贡献和酚羟基功能团贡献2）醇羟基含量低）醇羟基含量低陆源与海源腐殖质地球化学性质的比较陆源与海源腐殖质地球化学性质的比较有机物有机物分子式分子式例子例子H/CO/CN/CS/C多糖多糖C100H167O83纤维素纤维素1.670.8300蛋白质蛋白质C100H158O32N26S0.9网采浮游生物网采浮游生物1.580.320.260.01类脂类脂C100H189O11油酸油酸1.890.1100RNAC100H100O50N10网采浮游生物网采浮游生物0.920.320.400叶绿素叶绿素C100H140O9.5N7.5叶绿素叶绿素a1.400.100.080木质素木质素C100H108O38裸子植物裸子植物1.080.3800鞣酸鞣酸C100H66O42被子植物被子植物0.660.4200海洋浮游植物海洋浮游植物C100H167O35N16S0.4网采浮游生物网采浮游生物1.670.350.160.004细菌细菌C100H167O35N16S0.4革兰氏阴性革兰氏阴性1.670.350.160.004木材木材C100H100O50裸子植物裸子植物1.000.5000树叶树叶C100H100O50N10被子植物被子植物1.000.500.100草草C100H100O50N10热带热带1.000.500.100有机组分的元素组成3颗粒有机物POM的来源：（1）海洋初级生产过程：）海洋初级生产过程：41016 gC/a（2）河流输送：）河流输送：4.2109 gC/a（3）大气沉降：很少）大气沉降：很少一、POM的来源与归宿初级生产力的空间变化光合作用碳的归宿l低分子量有机组分的分泌：约低分子量有机组分的分泌：约10%l浮游动物摄食浮游动物摄食l植物细胞的溶解：植物细胞的溶解：1050%构成：构成：l活体浮游藻类、细菌生物聚集体和小型浮游动物及活体浮游藻类、细菌生物聚集体和小型浮游动物及它们的卵和幼体它们的卵和幼体l各种生物的碎屑与他们的粪便各种生物的碎屑与他们的粪便l生物骨架结构、陆源或大气沉降的有机物生物骨架结构、陆源或大气沉降的有机物l由海水溶液沉淀、吸附至颗粒物的有机物由海水溶液沉淀、吸附至颗粒物的有机物POM的构成与迁出POM最主要归宿：最主要归宿：垂向输送与埋藏垂向输送与埋藏二、POM的含量、分布与组成变化lPOC含量：含量：大多由采水大多由采水-过滤法获得，代表悬浮颗粒物过滤法获得，代表悬浮颗粒物lPOC通量：通量：大多由沉积物捕集器获得，代表沉降颗粒物大多由沉积物捕集器获得，代表沉降颗粒物对象对象POC(M)海水海水表层水表层水117深层水深层水0.21.3沿岸水沿岸水483河口水河口水8833寡营养湖水寡营养湖水80河水河水170富营养湖水富营养湖水170沼泽水沼泽水170沼泽泥炭水沼泽泥炭水250POC的含量与变化POC垂直分布POC的垂向转化POM转化路径蛋白质：蛋白质：蛋白质蛋白质 多肽多肽 自由氨基酸自由氨基酸 脂肪酸、尿素、脂肪酸、尿素、CO2、CH4、NH4+、HPO42-、HS-类脂：类脂：类脂类脂 烃类、碳水化合物、烃类、碳水化合物、小羧酸分子小羧酸分子 CO2、CH4多糖：多糖：多糖多糖 寡糖寡糖 单糖单糖 CO2、CH4l深海微生物深海微生物种类和丰度种类和丰度l颗粒物化学颗粒物化学组成组成l颗粒物沉降颗粒物沉降速率速率 三、POM垂向输送通量初级生产力与POC输出通量的关系不同有机组分输出通量的变化颗粒有机碳输出通量的时间变化马尾藻海马尾藻海特定有机组分垂向输出通量的时间变化马尾藻海马尾藻海沉降颗粒物中生源组分含量的垂直变化深度（深度（m）碳酸盐碳酸盐生物硅生物硅有机物有机物（%总重量）总重量）37835.15.259.597872.111.716.2277868.417.714.0428071.617.610.7558261.425.013.5沉降颗粒物C、N、P比的垂直变化海域海域深度深度（m）OCNPOC/N沿岸上升流区沿岸上升流区501902218.82501601411270018017111沿岸非上升流区沿岸非上升流区502602719.92503303311070037025115开阔大洋开阔大洋7541029114575460341131050910311294溶解有机物（1）大陆径流输入）大陆径流输入（2）大气沉降输入）大气沉降输入（3）海洋内部来源）海洋内部来源一、DOM的来源河流输入的河流输入的TOC：331012 molC/a，其，其中中POC、DOC约各约各占一半占一半大陆径流输入河口区DOC的行为大气沉降输入lWilliams：降雨输入速率为：降雨输入速率为2.21014 gC/alHunter和和Liss：上述数值高估了，因为存在通过气：上述数值高估了，因为存在通过气泡、波浪破碎等由海洋向大气输送的有机物。泡、波浪破碎等由海洋向大气输送的有机物。lGagosian和和Peltzer：通过海洋气溶胶的脂类物质：通过海洋气溶胶的脂类物质组成，证明气溶胶有机物主要来自陆地，且湿沉组成，证明气溶胶有机物主要来自陆地，且湿沉降是大气输入的主要途径。降是大气输入的主要途径。l海洋生物是有机物内部来源之一，它们通过分泌海洋生物是有机物内部来源之一，它们通过分泌代谢产物或死亡后的分解，往海水添加各种有机代谢产物或死亡后的分解，往海水添加各种有机物质。物质。l除初级生产者外，其他的海洋生物实际上不是有除初级生产者外，其他的海洋生物实际上不是有机物的真正来源，而是有机物的转换者。机物的真正来源，而是有机物的转换者。有机物的内部来源 （1）浮游植物的细胞外释放）浮游植物的细胞外释放 （2）摄食导致的）摄食导致的DOM释放或排泄释放或排泄 （3）细胞溶解导致的）细胞溶解导致的DOM释放释放 （4）颗粒物的溶解）颗粒物的溶解 （5）细菌的转化和释放）细菌的转化和释放 （6）海洋沉积物）海洋沉积物海水中DOM的生物产生过程积分初级生产力：积分初级生产力：308543 mgC/m2/d，幅度为，幅度为285倍倍上层上层1000m水体水体DOM浓度：浓度：4080 M存在存在DOM的迁出过程：的迁出过程：生物过程生物过程与与非生物过程非生物过程二、DOM的迁出DOM的生物消耗原核生物：原核生物：l异养细菌是异养细菌是DOM的主要消耗者，可将的主要消耗者，可将LMW组分组分（500-1000 Da）直接透过细胞膜进入到细胞中。）直接透过细胞膜进入到细胞中。lHMW组分也可被异养细菌所利用，他们通过分泌组分也可被异养细菌所利用，他们通过分泌水解酶将水解酶将HMW组分转化为组分转化为LMW组分，进而吸收组分，进而吸收进入到细胞中。进入到细胞中。细菌生产力与初级生产力的比值真核生物对DOM的消耗某某些些海海洋洋真真核核生生物物能能够够直直接接吸吸收收易易降降解解的的DOM组组分分来来满满足足他他们们的的代代谢谢需需求求，如如异异养养鞭鞭毛毛虫虫可可利利用用552000 kDa的的胶胶体体态态DOM；海海洋洋脊脊椎椎动动物物可可利用单糖、自由氨基酸等。利用单糖、自由氨基酸等。DOM的非生物迁出过程光转化：光转化：l通过直接的光化学反应转化为通过直接的光化学反应转化为CO2，少量转化为，少量转化为COl将将HMW DOM转化为生物可利用的转化为生物可利用的LMW DOMl释放一些易被生物利用的释放一些易被生物利用的N、P组分组分lMoran和和Zepp（1997）估算出光化学反应迁出的）估算出光化学反应迁出的DOC约占海洋约占海洋DOC储库的储库的2-3%颗粒物对DOM的吸附Druffel等（等（1996）：）：东东北北太太平平洋洋深深层层水水POC“年年龄龄”（14C）远远远远“老老”于上层水于上层水POC的年龄的年龄？三、DOM的生物活性（lability）易降解DOM的特征储库储库特征特征文献文献易降解易降解DOC周转时间：几分钟周转时间：几分钟几天几天Fuhrman和和Ferguson,1986;Keil 和和Kirchman,1999HMW和和LMW组成，主要为组成，主要为单糖和自由氨基酸单糖和自由氨基酸Benner等等,1992;Amon和和 Benner,1996上层水体浓度为上层水体浓度为nM量级量级Fuhrman和和Ferguson,1986;Rich等等,1997;Keil和和Kirchman,1999;其其快快速速循循环环支支持持着着大大部部分分异异养养细菌的生长细菌的生长Ducklow和和Carlson,1992;Rich等等,1996易易降降解解组组分分的的缺缺乏乏会会限限制制异异养细菌的快速生长养细菌的快速生长Kirchman等等,1990;Carlson和和Ducklow,1996半易降解DOM的特征储库储库特征特征文献文献半易降解半易降解DOC周转时间：几个月周转时间：几个月几年几年Ogura,1972;Kirchman等等 1993潜在的碳垂向输出项潜在的碳垂向输出项Carlson等等,1994;Hansell等等,2001占占DOC的份额空间变化大，具有的份额空间变化大，具有永久性跃层海域较高永久性跃层海域较高Carlson和和Ducklow,1995;Hansell,2002由由HMW和和LMW组成组成Benner等，等，1992；Amon和和Benner,1996碳水化合物为主碳水化合物为主Benner等，等，1992;Pakulski和和Benner,1994部分由生物合成的多糖组成部分由生物合成的多糖组成Biersmith和和Benner,1998碳水化合物份额随深度增加而降低碳水化合物份额随深度增加而降低Cowie和和Hedges,1994;Skoog和和Benner,1997C:N比为比为6 20Williams,1995;Carlson等等,2000难降解DOM的特征储库储库特征特征文献文献难降解难降解DOC周转时间：几百周转时间：几百几千年几千年Williams和和Drufferl,1987;Bauer等等,1992LMW为主为主Amon和和Benner,1996难以被微生物降解难以被微生物降解Barber,1968;Ogura,1972低碳水化合物低碳水化合物Cowie和和Hedges,1994;Skoog和和Benner,1997C:N比为比为1420Hansell和和Carlson,2001平均年龄：平均年龄：4000 aBauer等等,1992光化学反应可将其转化为易降解物质光化学反应可将其转化为易降解物质Moran和和 Zepp,1997深层水浓度存在差异深层水浓度存在差异Hansell和和Carlson,1998绝大多数难降解绝大多数难降解DOC浓度为浓度为34 MHansell和和Carlson,1998部分深层水部分深层水DOC的周转时间与深海热的周转时间与深海热盐环流接近，但存在区域变化盐环流接近，但存在区域变化Hansell和和Carlson,1998对象对象DOC(M)海水海水表层水表层水75150深层水深层水475沿岸水沿岸水60210河口水河口水8833饮用水饮用水17地下水地下水58雨水雨水92寡营养湖水寡营养湖水183河水河水420富营养湖水富营养湖水8304170沼泽水沼泽水1250沼泽泥炭水沼泽泥炭水2500四、DOM的含量与分布海水DOC的典型垂直分布上层海洋DOC的空间变化印度洋印度洋80 E印度洋印度洋170 E太平洋太平洋105/110 W深层水DOC的空间变化l1960s：深海水：深海水DOC浓度存在强的水平变化梯度。浓度存在强的水平变化梯度。l Druffel等（等（1992）：百慕大与夏威夷附近海域深）：百慕大与夏威夷附近海域深层水层水DOC仅存在仅存在5 M的差别。的差别。l Martin和和Fitzwater（1992）：深海水）：深海水DOC浓度不浓度不存在差别。存在差别。l Hansell和和Carlson（1998）：深层水）：深层水DOC浓度沿大浓度沿大洋热盐环流路径逐渐降低。洋热盐环流路径逐渐降低。DOM的时间变化DOC浓度存在强的季节变化：浓度存在强的季节变化：冬低夏高，高、低值可相差几十冬低夏高，高、低值可相差几十M高纬度海域：高纬度海域：BATS中纬度海域没有明显季节变化，但存在年际变化没有明显季节变化，但存在年际变化HOTS低纬度海域深海水是否存在可测量的时间变化?lHansell和和Carlson（2001）：）：Sargasso海深层水持海深层水持续续6年的测量没有发现其存在时间变化。年的测量没有发现其存在时间变化。lHansell和和Peltzer（1998）：）：Arabian Sea一年的测一年的测量没有观察到时间变化。量没有观察到时间变化。lBauer等（等（1998）：北太平洋东部海域连续）：北太平洋东部海域连续2年的年的测量显示，测量显示，DOC浓度存在明显变化，变化幅度达浓度存在明显变化，变化幅度达8 M。