南海-东印度洋海域微生物气溶胶空间分布特征.pdf

第 52 卷 第 3 期 Vol.52,No.3,281288 2023 年 5 月 GEOCHIMICA May,2023 收稿日期:2021-07-28;改回日期:2021-08-18 项目资助:国家自然科学基金项目(41911530110、41675119、41575115)资助。第一作者简介:石渝婷(1993),女,硕士研究生,环境工程专业。E-mail: 通信作者:张颖仪(1980),女,副教授,主要从事生物气溶胶检测及其性质的研究工作。E-mail: Geochimica Vol.52 No.3 pp.281288 May,2023 南海东印度洋海域微生物气溶胶空间分布特征 石渝婷1,刘 婷2,张广洋1,薛飞洪3,邹世春3,张颖仪1*,赖森潮1(1.华南理工大学 环境与能源学院 工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室,广东 广州 510006;2.湖北理工学院 环境科学与工程学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室,湖北 黄石 435003;3.中山大学 海洋科学学院,广东 珠海 519082)摘 要:通过走航观测对南海东印度洋海域的大气细颗粒物(PM2.5)(共 49 个)进行采集,使用 DAPI 染色荧光显微技术获得微生物气溶胶浓度,开展微生物气溶胶在该海域空间分布特征的研究。结果显示,微生物气溶胶浓度范围在 2.141045.93106 cellsm3之间,空间分布明显不均衡,即东印度洋海峡南海。在东印度洋海域,微生物气溶胶浓度变化幅度较大,以赤道为界,总体呈现北高南低的趋势。微生物气溶胶的粒径主要分布在 0.372.5 m 之间。南海、海峡和东印度洋赤道以北样品中原核生物占比较高,约 65%;而在东印度洋赤道以南,真核生物占比则升高至近 50%。最后,本研究根据东印度洋海域微生物气溶胶的差异,对其来源开展研究,揭示了海洋生物分布、海洋环境要素以及人为源远距离传输等因素对于开放海域微生物气溶胶浓度的影响。关键词:微生物气溶胶;开放海域;粒径分布;空间变化;海陆影响 中图分类号:P67 文献标志码:A 文章编号:0379-1726(2023)03-0281-08 DOI:10.19700/j.0379-1726.2023.03.002 Spatial distribution of microbial aerosols in the South China Sea and Eastern Indian Ocean SHI Yuting1,LIU Ting2,ZHANG Guangyang1,XUE Feihong3,ZOU Shichun3,ZHANG Yingyi1*,LAI Senchao1(1.The Key Lab of Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industry Clusters,Ministry of Education,School of Environment and Energy,South China University of Technology,Guangzhou 510006,Guangdong,China;2.Hubei Key Laboratory of Mine Environmental Pollution Control and Remediation,School of Environmental Science and Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi 435003,Hubei,China;3.School of Marine Sciences,Sun Yat-sen University,Zhuhai 519082,Guangdong,China)Abstract:In this study,we collected 49 atmospheric PM2.5 samples during a cruise campaign over the oceanic area from the South China Sea(SCS)to the Eastern Indian Ocean(EIO),and obtained the microbial concentrations using fluorescence microscopy after staining with 4,6-diamidino-2-phenylindole dihydrochloride(DAPI).The microbial concentrations ranged from 2.14104 to 5.93106 cellsm3,showing a clear spatial distribution.The average concentration of microbial aerosols in the EIO was higher than those in the SCS and the three straits.In the EIO,the microbial concentrations varied greatly,showing higher concentrations in the northern region than in the southern region.Microbial aerosols dominated in the size range of 0.37 to 2.5 m.The proportion of prokaryotes was relatively high(approximately 65%)in the SCS samples,the strait samples,and the northern EIO samples,whereas the proportion of eukaryotes in the southern EIO samples was higher.We therefore investigated 282 2023 年 Geochimica Vol.52 No.3 pp.281288 May,2023 the possible contributing sources and propose that marine biological distribution and marine environmental elements play important roles in the variation of microbial aerosol concentrations in the open ocean.We further suggest the importance of continental anthropogenic contributions to marine microbial aerosols via long-range transport in this oceanic area.Key words:microbial aerosols;open ocean;size distributions;spatial variations;influence of land and ocean 0 引 言 海洋覆盖面积广,约占地球表面的 71%,是大气微生物的主要来源(ODowd and de Leeuw,2007)。气溶胶是微生物在海气交换的主要传播媒介,受到海陆来源的交互影响。海洋物理过程是海洋源微生物气溶胶的一个重要来源。海洋中的微生物可以通过泡沫破裂等方式直接向大气排放(Schlichting Jr,1974)。同时,陆地环境中的微生物也可以通过大气气团传输进入海洋大气环境中(Prospero et al.,2005;Frhlich-Nowoisky et al.,2012;Seifried et al.,2015;Ma et al.,2019;Uetake et al.,2020)。开展海洋大气微生物气溶胶的特征研究,将有助于了解海洋大气环境中微生物气溶胶的存在、浓度水平及其海陆源影响,为开展海洋微生物气溶胶环境影响的研究提供理论支持。目前已报道的大气中微生物气溶胶浓度范围约在 104106 cellsm3之间(Li et al.,2011;Murata and Zhang,2014;Liu et al.,2019;Qi et al.,2021),但不同采样点微生物气溶胶的浓度差异较大,存在明显的地区差异。国内外许多研究人员通过不同的技术方法对微生物气溶胶进行了识别和检测(Chi and Li,2007;Wei et al.,2015,2016;Dong et al.,2016;Xie et al.,2018;Liu et al.,2019;Qi et al.,2021),主要包括 在线生物气溶胶传感器紫外线空气颗粒仪(UV-APS)、离线滤膜采用的荧光染色法(提取染色荧光显微技术(ES-FM)和 直 接 染 色 荧 光 显 微 技 术(DS-FM)。Wei et al.(2015)采用 UV-APS 对北京、上海、安徽、甘肃、内蒙古、宁夏和江苏等中国主要省市的微生物气溶胶浓度进行调查,发现中国不同地区的微生物气溶胶浓度一般处于 104105 cellsm3的水平;城市间的微生物气溶胶浓度差异较大,北京的微生物气溶胶浓度显著高于其他城市,其次是安徽合肥,而在定西、宁夏、包头、江苏和上海等省市的微生物气溶胶浓度较低。Chi et al.(2007)采用ES-FM 在中国台北检测出高水平浓度的微生物气溶胶(7.66105 cellsm3)。同样,有学者在沿海城市青岛用 ES-FM 对微生物气溶胶浓度进行了研究,发现青岛的微生物气溶胶浓度处于 105106 cellsm3(Dong et al.,2016;宫静等,2019;Qi et al.,2021)范围,与中国台北处于同一水平。需要强调的是,由于采样较为困难,海洋气溶胶样品一般难以获取,国内针对海洋大气微生物气溶胶的研究仍然非常少。同时,海洋生态系统微生物气溶胶来源复杂,影响因素较多,学界对其认识仍存在许多不足之处。一般认为,在开放海域,微生物气溶胶受到海洋物理过程的影响较大,而在近岸海域,陆地生态系统与人为源排放均会对海洋大气微生物气溶胶带来影响,其特征更为复杂。Qi et al.(2021)对中国的边缘海南海通过走航采样获得航线中不同样品的微生物气溶胶浓度,浓度变化范围为(1.684.84)105 cellsm3。与陆地站点相比,海洋站点中微生物气溶胶的浓度也处于一个较高的水平,因此需要更系统深入的研究。最近,Chen et al.(2019)提出 DS-FM 可定量分析滤膜中微生物气溶胶量,并能有效获取微生物气溶胶的浓度与粒径分布特征。DS-FM 法弥补了传统培养法的不足,可获取活菌、死菌以及非培养状态下的活菌量(Liu et al.,2019);与 ES-FM 法相比,该方法颗粒损失也较少(Chen et al.,2019)。4,6-二脒基-2-苯基吲哚(4,6-diamidino-2-phenylindole,DAPI)染色法结合荧光显微镜技术(Chen et al.,2019;Liu et al.,2019)就是根据 DS-FM 法原理,利用 DAPI 试剂与DNA 发生特异性结合,释放出荧光,从而检测大气颗粒物中的微生物气溶胶浓度。Liu et al.(2019)成功利用该方法研究了湖北黄石微生物气溶胶在秋冬季节的粒径分布特征。本研究通过 2019 年东印度洋多学科综合考察航次,采集海洋大气细颗粒物(PM2.5)样品后,采用 DAPI染色法结合荧光显微镜技术对气溶胶样品中的微生物浓度进行定量分析,获得了南海东印度洋海域大气微生物气溶胶的浓度和其粒径特征,进一步探讨了其空间变化特征和海陆来源影响。1 材料与方法 1.1 样品采集及分析 1.1.1 样品采集 本研究于 2019 年 3 月 22 日5 月 19 日,通过 第 3 期 石渝婷等:南海东印度洋海域微生物气溶胶空间分布特征 283 Geochimica Vol.52 No.3 pp.281288 May,2023 2019 年东印度洋多学科综合考察航次在南海与东印度洋海域共采集 49 个大气细颗粒物(PM2.5)样品。采样设备为便携式小流量大气气溶胶采样器(Mini-vol,Airmetrics,美国),采样流量 5 L/min。采样仪器放置于船只烟囱前方的上甲板前端,可避免行船过程船烟排放的影响。采样位置离海面约 12 m,可较好地采集海洋大气气溶胶。采样滤膜为 47 mm 的黑色聚碳酸酯膜(0.2 m 孔径,PCTE,GVS,美国),单个样品采集时间为 6.813 h。为防止船舶排气污染,将采样器固定在科考船的上层甲板上,当遇到不利风向或低风速时停止采样。采样过程中使用 75%的乙醇对采样所用材料(镊子和膜托等)进行消毒处理以避免可能存在的污染。1.1.2 样品分析 采用 DAPI 染色法结合荧光显微技术(DS-FM)检测 PM2.5样品中微生物气溶胶浓度。实验步骤:从每个聚碳酸酯膜样品上切取直径为 13 mm 的滤膜,将颗粒物面朝上置于 1滴 DAPI 工作溶液(20 gmL1)中,避光染色 20 min(室温下),盖上盖玻片。制备的载玻片在荧光显微镜(DM2500,Leica,德国)下观察。用显微镜选取 3040 个视野拍照(对应样品膜面积为 218 m163 m),分析每张照片的颗粒数,计算出平均颗粒数。使用 ImageJ软件,计算每个荧光图像上微生物气溶胶粒子的总数和面积,得出直径。具体的分析方法可参考 Liu et al.(2019)。1.1.3 质量保证与控制 采样结束后将滤膜对折后封入烤过(550,6 h)的铝箔纸袋中,并将样品保存在20 的环境下。采样期间采集 2 个空白样品用于控制采样过程的空白水平。实际样品检测浓度为扣除空白值后的结果。同时,对同一实际样品进行平行检测,并保证样品的重现性。1.2 其他辅助数据获取 本研究使用的气象参数(如湿度、温度、风速、气压和风向等)均来自科考船的自动气象站。为了获得微生物气溶胶的可能来源,使用 TrajStat 模型软件(Version 1.2.26)分析了采样期间样品的气团后向轨迹,气团的传输时间为 72 h,传输高度 100 m。2 结果与讨论 2.1 海洋大气微生物气溶胶浓度水平与空间分布特征 通过 DAPI 染色法分析测得 49 个样品的微生物气溶胶浓度范围为 2.141045.93106 cellsm3,平均值为 1.03106 cellsm3。本次航线从南海出发,经卡里马塔海峡和巽他海峡进入东印度洋,再经过马六甲海峡回到南海。根据样品所处的海域位置,将样品分为南海样品(M01、M02、M44、M45、M46、M47、M48 和 M49),海峡样品(M03、M04、M05、M06、M07、M08、M38、M39、M40、M41、M42和 M43)和东印度洋样品(M09、M10、M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19、M20、M21、M22、M23、M24、M25、M26、M27、M28、M29、M30、M31、M32、M33、M34、M35、M36和 M37)(图 1)。在南海样品中,微生物气溶胶浓度范围为 3.431051.03106 cellsm3,平均值为6.94105 cellsm3。略高于 Qi et al.(2021)在南海北部海域获得的微生物气溶胶浓度(2.921.07)105 cellsm3)。海峡样品中微生物气溶胶浓度范围为 3.43105 1.26106 cellsm3,平均值为 8.27105 cellsm3。而在东印度洋海域中,微生物气溶胶浓度的变化较大(2.141045.93106 cellsm3),平均值为1.21106 cellsm3。可见,在不同海域微生物气溶胶浓度差异较大,海峡样品微生物气溶胶的平均浓度略高于南海样品;而东印度洋样品微生物气溶胶平均浓度显著高于南海与海峡样品,且浓度变化范围大,这表明东印度洋海域微生物气溶胶可能受到的影响因素较多,导致其浓度变化差异大。2.2 海洋大气微生物气溶胶粒径分布特征 根据每个微生物的视野面积计算出微生物的直径,再将其分为 0.370.42,0.420.56,0.561,12.5,2.55.6 和 5.610 m 等粒径范围,分别计算出每个粒径范围内微生物气溶胶的浓度(Liu et al.,2019)。图 2 可见,在南海、海峡和东印度洋,微生物气溶胶的粒径均主要分布在 0.372.5 m 范围内,这与 Liu et al.(2019)在城市(湖北黄石)获得的微生物气溶胶的粒径分布相近。有研究将小于 1 m 且染色均匀(细胞核未明确)的 DNA 归为原核生物(Prokaryotes,如细菌),而较大的细胞,且细胞核清晰,染色明亮的 DNA 视为单细胞真核生物(Eukaryotes,如:真菌孢子、花粉和有机碎片等)(Sherr et al.,1993;Mayol et al.,2014;Liu et al.,2019)。因此本研究将小于 1 m 的微生物气溶胶归于原核生物,大于 1 m 的归于真核生物。结果发现,南海样品和海峡样品中原核生物的浓度变化较小(南海样品:(2.376.89)105 cellsm3,海峡样品:284 2023 年 Geochimica Vol.52 No.3 pp.281288 May,2023(2.738.13)105 cellsm3),与 Byung et al.(2011)在韩国东海海洋气溶胶检测得到的原核生物(0.71.2)105 cellsm3)量级相当,高于 Mayol et al.(2014)在北大西洋获得的原核生物浓度(103104 cellsm3)。值得注意的是,东印度洋样品中原核生物的浓度变化则较大,其范围为 6.451034.55106 cellsm3。不同地区的样品浓度变化可能与其来源不同和受到陆地的影响不同有关,如南海与东海都是受到陆地人为源影响较大的海域。此外,原核生物与真核生物的占比计算结果(图 3)显示,大部分样品均呈现原核生物占比更高的特征。在南海样品中,原核生物占比范围为 63%75%(均值为 64.7%);在海峡样品中,原核生物占比范围为59.2%72.5%(均值为 67.2%)。而东印度洋样品中真核生物占比较南海与海峡样品有所增加,部分样品(M10、M11、M12、M13、M14、M28、M30、M31、M33 和 M34)占比与原核生物相当,甚至超过原核生物。由图 1 可知这些样品在东印度洋中主要分布在赤道以南,浓度显著低于赤道以北的样品,说明导致东印度洋赤道以南样品微生物气溶胶浓度较低的原因可能与大气中原核生物浓度的降低有关。2.3 海陆来源与影响 东印度洋海域微生物气溶胶的浓度变化范围较大,在赤道以北样品中高达 106 cellsm3,而在赤道以南样品中,微生物气溶胶浓度只有 104 cellsm3(图 1)。本研究利用东印度洋海域微生物气溶胶浓度的变化,初步探讨了开放海域微生物气溶胶来源。首先,从海洋生物分布来看,赤道以北海域样品的微生物含量较为丰富。我们推测印度洋海流对海洋环境及生物可能有重要影响。海流可起到扩散海洋生物分布的作用,如暖流可将南方喜热性动物带到较高纬度海区,而寒流则可将北方喜冷性动物带到较低纬度海区(沈国英等,2010)。东印度洋海域样品受暖流(例如赤道逆流和南赤道暖流)(郑佳喻等,2018;杜岩等,2019)影响较为强烈。本研究赤道以南样品主要受南赤道暖流影响,该暖流将喜热性动物带到更高纬度海域,从而导致赤道以南样品微生物浓度低。而赤道以北样品则受赤道逆流的影响,将赤道附近喜热性生物带到更高纬度的海域(赤道以北样品采集海域)。因此,海流所引起的海洋生物扩散是导致东印度洋海域赤道南、北样品浓度变化的重要原因。图 1 南海东印度洋海域微生物气溶胶浓度空间分布 Fig.1 Spatial distribution of microbial aerosol concentrations in the South China Sea(SCS)and Eastern Indian Ocean(EIO)第 3 期 石渝婷等:南海东印度洋海域微生物气溶胶空间分布特征 285 Geochimica Vol.52 No.3 pp.281288 May,2023 图 2 南海东印度洋海域微生物气溶胶粒径分布 Fig.2 Size distribution of microbial aerosols in the SCS and EIO 图 3 南海东印度洋海域中原核生物与真核生物的占比 Fig.3 Proportion of prokaryotes and eukaryotes in the SCS and EIO 286 2023 年 Geochimica Vol.52 No.3 pp.281288 May,2023 由上文可知,赤道以南微生物气溶胶中原核生物占比下降,真核生物占比增加。Mayol et al.(2017)的研究发现原核生物与真核生物占比均随与陆地的距离呈指数下降的趋势,其中原核生物下降更加明显(500 km 时:原核生物约下降 55%,真核生物约下降 35%;Uetake et al.,2020)。本研究赤道以南样品远离海岸,原核生物与真核生物占比相对于赤道以北样品均显著下降,但在赤道以南样品中真核生物的占比有所增加,这可能是由于离陆地距离越远,原核生物浓度下降更多所致。其次,大气气团输送是影响微生物气溶胶浓度的重要因素。赤道以北采样点靠近印度,受该区域人为源的影响较大,人为源排放是该区域微生物气溶胶浓度较高的原因。生物燃料(如木材、粪便和农业废料等)燃烧作为该区域空气污染物的主要来源之一,也可对海洋区域微生物气溶胶有所贡献(Lelieveld et al.,2001)。而赤道以南样品所在的开放海域,受人为源的影响较小。从 72 h气团后向轨迹(图 4)也可看出,东印度洋样品的气团主要来源于 2 个方向,赤道以北样品的气团主要来自于人为源影响较大的北方(陆地气团),而赤道以南的样品气团则主要来自于清洁的开放海域(海洋气团),这表明了气团输送对海洋大气微生物气溶胶浓度的重要影响,也进一步表明了陆地人为源对海洋大气微生物气溶胶有较大影响,显示人为源远距离传输的重要性。此外,气象因子对微生物气溶胶的生长、抑制和传播也有重要影响(Tang,2009;Alghamdi et al.,2014;Li et al.,2017;Liu et al.,2021)。通过巡航科考船自动气象站的记录,获取采样期间每个样品的气象数据(风向、风速、气压、温度和湿度)均值与微生物气溶胶的浓度作相关性分析(图 5),发现在本研究的温度范围内(27.231.3),温度与微生物气溶胶浓度呈显著正相关关系。因此,可认为在该温度范围内,温度越高越有利于微生物的生长。3 结 论(1)海洋大气微生物气溶胶浓度水平呈现出明显的空间分布特征,即东印度洋海峡南海。在东印度洋海域中,微生物气溶胶浓度分布呈两极分化,赤道以北样品的浓度显著高于赤道以南。(2)微生物气溶胶的粒径主要分布在 0.372.5 m范围内,不同海域粒径分布没有明显的变化。东印度洋海域中赤道以北样品的原核生物占比显著高于赤道以南样品。图 4 南海东印度洋海域微生物气溶胶样品的 72 h 后向轨迹 Fig.4 Seventy-two-hour air mass backward trajectories of the microbial aerosol samples in the SCS and EIO 第 3 期 石渝婷等:南海东印度洋海域微生物气溶胶空间分布特征 287 Geochimica Vol.52 No.3 pp.281288 May,2023 相关性分析热图在下三角矩阵中显示,色标表示负相关/正相关(红色:正相关;蓝色:负相关)。图 5 微生物气溶胶浓度与气象参数的相关性分析 Fig.5 Correlations between micro-bioaerosol concentrations and meteorological parameters.(3)海洋生物与环境因素、人为源的远距离传输等是影响开放海域微生物气溶胶的重要原因。致谢:感谢暨南大学刘俊文副教授和北京师范大学高媛助理研究员给本文提出的建设性修改意见和建议。参考文献(References):杜岩,张涟漪,张玉红.2019.印度洋热带环流圈热盐输运及其对区域气候模态的影响.地球科学进展,34(3):243254.宫静,祁建华,李鸿涛.2019.青岛近海生物气溶胶中总微生物的分布特征.环境科学,40(8):34773488.沈国英,黄凌风,郭丰,施并章.2010.海洋生态学.北京:科学出版社:1346.郑佳喻,徐康,陈更新,胡开明,陈洁鹏,杨磊,王强,王鑫,王卫强,王东晓.2018.热带印度洋环流动力与季风相互作用研究进展.南京信息工程大学学报(自然科学版),10(3):275281.Alghamdi M A,Shamy M,Redal M A,Khoder M,Awad A H,Elserougy S.2014.Microorganisms associated particulate matter:A preliminary study.Science of the Total Environment,479480:109116.Byung C C,Chung Y H.2011.Prokaryotic abundance and 16S rRNA gene sequences detected in marine 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