南太平洋東勞擴張中心表層沉積物氨基酸組成所揭示的生物地球化學意義

王麗玲, 楊群慧, 付少英, 胡建芳

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南太平洋東勞擴張中心表層沉積物氨基酸組成所揭示的生物地球化學意義

王麗玲1,2, 楊群慧3, 付少英4, 胡建芳1*

(1. 中國科學院 廣州地球化學研究所 有機地球化學國家重點實驗室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國科學院 研究生院, 北京 100049; 3. 同濟大學 海洋地質國家重點實驗室, 上海 200092; 4. 國土資源部 廣州海洋地質調查局, 廣東 廣州 510630)

通過對南太平洋勞盆地東勞擴張中心(ELSC)表層沉積物進行水解氨基酸(THAA)分析、氨基酸對映異構體比值(D/L)分析及總有機碳(TOC)分析, 對沉積物中氨基酸含量和來源、有機質降解程度和采樣區(qū)域生物活動性及溫度特征等問題進行了探討。結果表明, ELSC區(qū)域樣品中有機質含量較低, TOC含量為0.70~2.15 mg/g(干重), THAA含量為30~511 μg/g (干重), 熱液活動區(qū)域原位化能合成作用對沉積物中氨基酸的相對富集有較大的貢獻。沉積物中THAA含量和生物群落活動狀況與分布范圍有關, 樣品礦物組分對氨基酸的保存亦有一定的影響。由于各采樣點熱液活動、沉積物類型、生物群落的類型及分布均有所不同, 樣品中個體氨基酸的組成分布特征有較大差異。以TOC中氨基酸態(tài)碳所占百分比TAAC%作為指標對樣品有機質活性進行了判別, 熱液噴口區(qū)域樣品有機質新鮮程度要普遍高于非熱液噴口區(qū)域樣品, 高溫熱液環(huán)境對氨基酸降解途徑有一定的影響。樣品中個體氨基酸D/L比值變化范圍較大, 天冬氨酸(Asp)為0.08~0.46, 谷氨酸(Glu)為0.06~0.19, 絲氨酸(Ser)為0.01~0.81, 丙氨酸(Ala)為0.10~0.30。根據樣品中THAA含量、TAAC%及個體氨基酸的D/L比值可以粗略判斷生物活動性的大小及細菌對THAA的相對貢獻, 但并不能準確地區(qū)分熱液活動活躍區(qū)域和非活躍區(qū)域在溫度和生物活動性方面的差異。

熱液; 沉積物; 氨基酸; 有機質活性; 生物活動性; 南太平洋

0 引 言

氨基酸是有機生命體組織細胞的基本組成成分, 也是海洋沉積物中有機物質的重要組成部分。海洋中生物死亡后, 由微生物分泌的胞外酶和生物細胞殘留的蛋白酶能將蛋白質水解成氨基酸(其中以L型氨基酸居多), 部分氨基酸被微生物作為營養(yǎng)物質吸收利用[1], 殘余蛋白質和氨基酸經過沉降作用進入沉積物, 經受生物及成巖改造作用。在成巖過程中, L型氨基酸在進行水解作用的同時發(fā)生外消旋反應, 逐漸轉化成其對映異構體D型氨基酸[2]。氨基酸在海洋沉積物中的含量、組成分布與其生物來源、沉積環(huán)境、成巖作用等因素均密切相關, 作為生物標志化合物在海洋沉積環(huán)境研究中得到了廣泛的應用, 包括提供沉積物成巖改造強度和有機質來源、降解程度的信息[3], 提供沉積區(qū)域氣候條件變化和沉積環(huán)境信息等[2,4,5]。近年來, 海洋沉積物氨基酸生物地球化學研究取得了新的進展, 一些新的氨基酸指標被提出應用, 如利用氨基酸對映異構體比值(D/L)來判別沉積區(qū)域生物活動性[6], 利用水解氨基酸(THAA)在剖面上的變化趨勢判斷生物擾動帶的范圍和深度[7–8], 利用D、L型氨基酸的碳同位素組成判斷沉積物中水解氨基酸的生物來源等[9]。

深海熱液活動是目前國際地學界和生物學界關注的前沿研究熱點之一, 其獨特的地質活動及分布在噴口區(qū)域不依賴于光合作用存在的特殊生物群落對于生命起源的探討、生物資源及礦產資源的開發(fā)等領域有著重要的研究價值。至今為止, 科學家們相繼在地質學、地球物理學、地球化學和生物學等方面對深海熱液活動區(qū)開展了大量的研究, 對熱液活動成因、熱液流體成分、礦產生成原理、生物群落研究以及熱液區(qū)微生物分子生物學特征等問題有了一定的了解。然而, 在有機地球化學研究領域, 對深海熱液活動區(qū)域沉積物中THAA的研究并不多。Andersson.[10]曾對太平洋東北Juan de Fuca洋脊7個位點的鉆孔柱狀沉積物樣品進行了THAA含量分析和部分樣品的氨基酸對映異構體比值分析, 闡述了溫度對氨基酸含量及其分布的影響, 并判斷了溫度對氨基酸D/L比值的影響程度。Takano.[6]對太平洋伊豆-伯寧(Izu-Bonin)弧Suiyo 海山深海高溫熱液系統(tǒng)中采集的柱狀沉積物樣品THAA分布特征進行了研究, 探討了氨基酸D/L比值作為指示氨基酸來源和反映生物活動性指標的可能性。已有的研究表明, 受極端熱液環(huán)境的影響, 深海熱液活動區(qū)域沉積物的氨基酸生物地球化學特征與正常海洋環(huán)境相比, 在含量、個體氨基酸分布特征和氨基酸的消旋化速率等指標上都有其獨特性。

本研究擬對采集自南太平洋勞盆地東勞擴張中心(ELSC)的表層沉積物樣品進行17種水解氨基酸的定性定量分析, 以及天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、絲氨酸(Ser)和丙氨酸(Ala)的對映異構體比值分析, 結合樣品總有機碳分析結果, 了解該區(qū)域沉積物中THAA含量及組成分布情況, 探討不同類型的熱液活動及熱液生態(tài)系統(tǒng)對沉積物中氨基酸來源及組成特征的影響, 嘗試利用氨基酸的D/L比值對采樣區(qū)域的生物活動性及采樣區(qū)域溫度變化的影響做出相應解釋。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

勞盆地(Lau Basin)位于熱帶南太平洋湯加島以西, 發(fā)育于Coville-Lau洋脊和Tonga-Kermadec 洋脊之間, 是首個被認為屬于弧后盆地(BABs)的半封閉型海底盆地。勞盆地地質環(huán)境變化表現(xiàn)異常明顯, 巖漿源化學、流體化學、地形特征和巖性等均沿洋脊走向有顯著變化[11]。盆地中發(fā)育有許多正在活動的低溫和高溫熱液噴口, 存在大量與大洋中脊(MORs)明顯不同的生物群落, 生物多樣性指數(shù)極高。ELSC區(qū)域位于勞盆地內湯加俯沖帶之后, 2003年以前, 對于ELSC的研究主要集中在其南端的Valu Fa 洋脊。2003~2008年期間, 在Valu Fa 洋脊以北的地區(qū)先后發(fā)現(xiàn)了7個活動的熱液場, 并開展了一些科學研究工作, 但有機地球化學方面的研究極少。本研究使用的樣品系由“大洋一號”在ELSC區(qū)域采用電視抓斗采集的部分表層沉積物, 其中TVG2、TVG14和TVG11均在ELSC現(xiàn)有已知的熱液場區(qū)域外采集, 沉積物主要為基巖的風化剝蝕物, 無明顯的熱液噴口區(qū)樣品特征。TVG9、TVG10采集自Mariner熱液場噴口區(qū)域, 為熱液沉淀物, TVG10中見有熱液生物。TVG8采集自Vai Lili熱液場噴口區(qū)域, 以熱液硫化物為主要礦物成分。TVG5和TVG6采集于Vai Lili熱液場以南區(qū)域, TVG5主要為熱液沉淀物, 含有大量的蠕蟲等熱液生物, 具有較明顯的熱液噴口樣品特征; TVG6采樣點位于TVG5附近, 主要來自基巖的風化剝蝕物, 樣品中含有少量含生物的熱液硫化物和氧化物, 可能采集于熱液噴口附近。具體采樣位點見圖1。

1.2 水解氨基酸的定性定量分析

樣品中THAA的提取采用傳統(tǒng)的酸水解方法。樣品經冷凍干燥并研磨均勻后, 取0.3~0.5 g樣品置于水解管中, 加入適量6 mol/L HCl, 充入氮氣2 min后密封, 110 ℃下水解22 h。水解冷卻后的樣品經離心后將上清液在45 ℃下旋轉蒸發(fā)干燥, 用0.02 mol/L HCl溶解并轉移到樣品瓶中以備過陽離子交換樹脂柱(DOWEX 50WX8 200-400)。樣品過柱前用2 mol/L HCl再生樹脂, 用H2O將樹脂洗至中性, 上樣后先用H2O洗去陰離子和非極性有機組分, 再用濃度約2.6 mol/L的氨水洗脫氨基酸。洗脫液用旋轉蒸發(fā)儀45 ℃下旋干后用0.02 mol/L HCl溶解樣品并定容, –20 ℃冷凍保存待儀器分析。

氨基酸的分析采用高效液相色譜柱前衍生方法[12–14]。堿性條件下, 鄰苯二甲醛(OPA)在3-巰基丙酸(3-MPA)存在下與氨基酸生成帶有熒光信號的衍生產物, 利用反相C18柱進行分離, 熒光檢測器檢測。儀器條件如下: Waters2695系統(tǒng), 2475熒光檢測器, 色譜柱為C18柱, 250×4.6 mm, 5 μm, 備有2 cm保護柱。使用梯度流動相分離, 流動相A為0.05 mol/L 醋酸鈉緩沖溶液(pH 7.2±0.02), 按體積比加入1%四氫呋喃(THF); 流動相B為0.1 mol/L醋酸鈉緩沖溶液、乙腈、甲醇以體積比4﹕4﹕1混合后, 調節(jié)pH至7.2±0.02。洗脫程序: 初始流動相為95%A, 5%B, 0→5 min, 20%B; 5→18 min, 60%B; 18→22 min, 100%B; 流速: 1.2 mL/min; 熒光檢測ex= 337 nm,em= 454 nm。

分析的氨基酸包括: 天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、絲氨酸(Ser)、組氨酸(His)、蘇氨酸(Thr)、甘氨酸(Gly)、精氨酸(Arg)、丙氨酸(Ala)、酪氨酸(Tyr)、纈氨酸(Val)、苯丙氨酸(Phe)、蛋氨酸(Met)、亮氨酸(Leu)、異亮氨酸(Ileu)、賴氨酸(Lys)、β-丙氨酸(β-Ala)及γ-氨基丁酸(γ-Aba)。個體氨基酸利用標樣的保留時間定性, 外標法定量, 氨基酸標準曲線相關系數(shù)均在0.996以上, 大部分在0.999以上。利用空白基質加標方法測定了樣品前處理方法的回收率, 除了絲氨酸、β-丙氨酸平均回收率分別為74.4%和73.7%, 蛋氨酸回收率極低外, 其他氨基酸的平均回收率在80%~98%之間。大部分氨基酸的回收率相對標準偏差在4.5%以下, 絲氨酸為6.2%, 蘇氨酸為5.2%, 賴氨酸為6.6%。此外, 蛋氨酸的回收受到基質的影響較大, 回收率很低, 且回收率相對標準偏差很大。因此, 該方法對蛋氨酸的定量有待商榷。

1.3 氨基酸對映異構體分析

氨基酸對映異構體分析采用高效液相色譜柱前衍生的分析方法, 利用OPA在N-異丁酰-L-半胱氨酸(IBLC)存在的情況下將D、L型氨基酸衍生為一對帶有熒光信號的非對映異構體, 用C18柱進行分離, 熒光檢測器檢測[15–17]。本研究中所選擇分析的目標氨基酸為Asp、Glu、Ser和Ala, D/L值的計算利用目標物峰面積數(shù)值直接計算。

儀器分析所用流動相A為0.023 mol/L 醋酸鈉緩沖溶液(pH 6.0±0.02), 流動相B為甲醇, 流動相C為乙腈。熒光檢測器ex= 230 nm,em= 445 nm, 梯度洗脫條件見表1。

圖1 ELSC區(qū)域表層沉積物采樣位點圖

表1 氨基酸對映異構體梯度洗脫程序

2 結 果

2.1 沉積物中有機質含量

對樣品TOC和THAA的含量分析表明, 有機質含量較低, 除了樣品TVG8的TOC含量達到2.15 mg/g外, 大部分樣品的TOC在0.70~1.07 mg/g之間。樣品TVG8的THAA含量亦是所有樣品中最高的, 達到511 μg/g, 其他樣品中THAA的含量在30~157 μg/g之間, 平均為87 μg/g (表2)。

2.2 氨基酸相對摩爾百分含量

樣品TVG2、TVG5、TVG9、TVG10和TVG11中, Asp和Ala的摩爾百分含量均較高, Asp的含量在13.7%~21.4%之間, Ala在14.0%~17.4%之間; 其次為Glu, Val和Gly, 所占的比例稍低。上述樣品中均缺失Tyr和Phe, 而 Met、Arg 和His 在大部分樣品中缺失。在其他采樣點, 沉積物樣品表現(xiàn)出不同的氨基酸含量分布模式。TVG8是ELSC所有樣品中唯一能完整檢測到17種水解氨基酸的樣品, 其中Gly 的摩爾百分含量高達27.9%, Val的百分含量達到了10.9%, 其余個體氨基酸的摩爾百分含量在7.5%以下。樣品TVG6中, Gly和Ala的百分含量最高, 分別為17.2%和17.0%, 其次為Val (12.1%), Lys (10.8%)及Thr (8.9%), 其余氨基酸含量均在7.0%以下, 其中His、Tyr和Phe未檢出, Arg和Met為微量檢出。樣品TVG14中, Arg含量異常高, 達到了19.4% , 其次為Ala (16.7%), Gly (11.3%)和Val (10.2%)。各樣品中氨基酸相對摩爾百分含量信息詳見表3。

2.3 各族氨基酸含量

根據側鏈基團將蛋白質氨基酸分成以下幾類: 酸性氨基酸(Asp, Glu), 堿性氨基酸(His, Arg, Lys), 中性氨基酸(Gly, Ala, Val, Leu, Ileu, Ser, Thr), 芳香族氨基酸(Tyr, Phe)和含硫氨基酸(Met)。圖2為樣品中各族氨基酸的摩爾百分含量組成圖, 由圖上看, 樣品中中性氨基酸占主要優(yōu)勢, 摩爾百分含量達到50%以上, 其中樣品TVG6高達71.2%。樣品TVG2、TVG5、TVG9、TVG10及TVG11中, 酸性氨基酸的含量均要高于堿性氨基酸。樣品TVG6和TVG8中, 酸性氨基酸的含量與堿性氨基酸相當。樣品TVG14中, 堿性氨基酸含量高于酸性氨基酸。含硫氨基酸在所有樣品中含量均很低, 除樣品TVG8外, 其余樣品的芳香族氨基酸均未檢測出。

表2 樣品中TOC、THAA含量分析結果及氨基酸態(tài)碳占TOC百分比(TAAC%)

表3 ELSC區(qū)域樣品氨基酸摩爾百分含量(%)

圖2 ELSC區(qū)域樣品各族氨基酸摩爾百分含量圖

2.4 氨基酸對映異構體比值(D/L)

部分樣品的Asp、Glu、Ser和Ala的對映異構體比值分析結果如表4示。D/L比值較高的樣品為TVG2、TVG14和TVG8。其中TVG8樣品中Asp、Glu和Ser的D/L比值最高, 分別達0.46、0.19和0.81。

表4 ELSC區(qū)域樣品中Asp、Glu、Ser及Ala的D/L比值分析結果

3 討 論

3.1 有機質含量影響因素的探討

海洋沉積物中有機質的含量與有機質的來源、輸入量、沉積顆粒物的大小、降解途徑和程度等多種因素有關。由于表層海域豐富的有機質在沉降過程中遭受了一系列的生物降解和利用過程, 對深海沉積物有機質的貢獻有限。而深海環(huán)境中普遍低的生產力決定了來自于深海的有機質來源輸入是較低的, 因此大部分深海沉積物樣品中有機質含量明顯偏低。

在深海熱液噴口區(qū)域, 受熱液活動支持而存在的、以化能合成微生物為初級生產者的生物群落形成了較為豐富的生產力, 是沉積物中有機質的重要來源之一。從TOC含量來看, ELSC樣品含量與太平洋其他海域沉積物相比普遍較低[10,18,19], 樣品中僅有在熱液噴口區(qū)域采集的TVG8的TOC含量達到2.15 mg/g, 其余不論是熱液噴口區(qū)樣品還是非熱液噴口區(qū)樣品, TOC含量無太大的差別。TVG8樣品是所有采集樣品中唯一以熱液硫化物成分為主的樣品, 其上覆蓋有白色的菌席, 抓斗樣品中含有大量死亡的螺和貝類的外殼, 顯示出曾經存在的強烈生物活動跡象。由于TVG8樣品中硫化物成分可為化能自養(yǎng)微生物的大量生長和繁殖提供豐富的營養(yǎng)來源, 沉積物中微生物活動可能是該樣品中TOC含量遠高于其他樣品的主要原因。楊偉芳[20]對樣品中脂類生物標志物進行了分析, 在TVG8樣品中檢測到了藿烯類化合物, 此類化合物指示了細菌成因, 表明細菌對TVG8樣品有機質具有重要貢獻。雖然熱液生物群落的貢獻是沉積物中有機質的主要來源之一, 但熱液生物群落一般圍繞噴口呈環(huán)帶狀分布[21], 且分布范圍和活動范圍極其有限, 因此在同為噴口區(qū)域采集的樣品有機質含量也有可能大不相同。從樣品的TOC含量看, 除TVG8外, 熱液噴口區(qū)樣品中熱液生物群落的存在對TOC含量的影響與非熱液噴口區(qū)樣品相比并沒有明顯差異。而Yamanaka.對西太平洋熱液噴口沉積物的研究表明, 沉積物中低的TOC 含量可能與沉積物中礦物組成大部分為火山碎屑沉積、沉淀物中缺乏有機質有關[19]。因此, 除樣品TVG8外, ELSC區(qū)域其他樣品中低的有機質含量可能與它們均來源于貧有機質的火山巖風化剝蝕物和熱液沉淀物有關。

3.2 沉積物中THAA含量及組分分布影響因素

熱液活動區(qū)域沉積物中THAA的含量受到熱液生物群落活動的顯著影響。ELSC區(qū)域THAA含量較高的樣品如TVG6、TVG8和TVG10等均在熱液噴口或噴口附近區(qū)域采集, 樣品中有不同程度生物存在。相比較之下, 采集于非熱液噴口活動區(qū)域的樣品TVG11和TVG14均未見生物樣品, THAA含量相對偏低。ELSC區(qū)域中的Vai Lili熱液場具有相對發(fā)育的生物群落, 采自該熱液場的TVG8樣品礦物成分以熱液硫化物為主表面覆蓋菌席, 其THAA含量和檢測出的氨基酸種類都遠高于其他樣品, 推測其THAA主要來源于菌席的貢獻。除樣品TVG8外, 采集于熱液噴口區(qū)域的大部分樣品THAA的含量均較非熱液噴口區(qū)樣品高。由于氨基酸在沉積物中的降解速度要高于TOC, 沉積物中THAA含量上的變化要較TOC敏銳, 樣品中THAA含量分析結果顯示了熱液生物群落對沉積物有機質中THAA含量的顯著影響。

由于ELSC各個熱液場在沉積環(huán)境、熱液溫度、熱液流體成分以及生物群落分布等方面存在較大的差異, 各自構成了比較獨特的熱液環(huán)境。根據已有的資料, 勞盆地生物群落在不同熱液場的數(shù)量和種類均表現(xiàn)出明顯的變化[11], 這種變化勢必導致生物對氨基酸的利用及對沉積物中氨基酸的貢獻上的各種差異, 從而對沉積物中氨基酸含量及組成造成一定的影響。ELSC區(qū)域的范圍從北部的19°20′S 向南延伸至22°45′S, 長度約400 km, 在這個不大的區(qū)域內, 所采集樣品中個體氨基酸的分布模式存在多種類型(圖3)。除樣品TVG8外, 其他樣品芳香族氨基酸均缺失, 大部分樣品中Met含量極低。某些個體氨基酸在樣品中豐度較高, 如樣品TVG8中的Gly和樣品TVG14中的Arg。由于氨基酸是熱液環(huán)境中微生物碳源的主要來源之一, 可以作為微生物生長所需的重要底物被生物降解和吸收[22], 有機質的生物降解可以導致特定氨基酸的富集或虧損, 可能是由于這些氨基酸的食物價值, 或氨基酸與細胞壁、細胞質和礦物基質的結合程度不同造成的[23]。

沉積物中氨基酸的熱力學降解、酸水解和非生物合成等因素同樣會對樣品中氨基酸含量和組成造成影響。在樣品TVG8中, 檢測到了極高的Gly含量, 但其來源還不能完全確定。Gly既是生物體中蛋白質水解的直接產物, 也是一些氨基酸降解的產物。Dauwe.[24]的研究認為沉積物中Gly的富集有可能是由于其對底棲生物的營養(yǎng)價值不高或動物對Gly大量合成有關。在深海熱液環(huán)境中是否能合成氨基酸至今仍有較大的爭論[25], 一些實驗證明, 在模擬海底熱液環(huán)境條件下, 可以合成Gly、Ala和Asp等一些氨基酸[22,26]。目前還沒有一個好的標準來判定沉積物中氨基酸的生物或非生物來源。

樣品TVG5 為熱液沉淀物, 保存了良好的熱液通道構造, 可見到大量蠕蟲等活體生物, 但其THAA含量遠低于樣品TVG8。采集于TVG5附近的樣品TVG6則主要為基巖的風化剝蝕物, 見有少量含生物的熱液硫化物和氧化物, 其THAA的含量要高于樣品TVG5。王將克等認為, 礦物若具有疏松多孔的結構, 將不利于氨基酸的保存[2]。樣品TVG9、 TVG10 同樣品TVG5一樣均來自熱液沉淀物, 主要礦物成分為蛋白石、水羥錳礦和水鈉錳礦, 樣品中具有相似氨基酸組成, 顯示沉積物礦物組分對氨基酸的吸附作用亦可影響氨基酸的組分保存情況, 不同類型沉積物對氨基酸的吸附作用不同, 易于被吸附的氨基酸更容易被保存下來, 反之則易于被降解。

我國科學家在此次科考航次中, 在ABE熱液場以北約4海里發(fā)現(xiàn)了新的熱液噴口活動區(qū)域, 該區(qū)域發(fā)育有大量熱液硫化物煙囪群, 生物群落分布較為繁茂。樣品TVG14采集于這一區(qū)域附近, 樣品中不含熱液硫化物及生物樣品, 推測為非噴口區(qū)域采集的樣品。樣品有較高的TOC含量, 但THAA含量很低, 熱液環(huán)境下較高的地熱溫度可能導致了氨基酸的快速降解。樣品TVG2、TVG11和TVG14的礦物組分近似一致, 但TVG14氨基酸組分與TVG2、TVG11相比差距甚大, 氨基酸組分的分布很特別, 堿性氨基酸的含量遠遠高于酸性氨基酸, 且Arg為摩爾百分含量最高的氨基酸, 由于TVG14采樣點所臨近的熱液場發(fā)育有大量熱液煙囪, 在高溫高壓下, 沉積物中酸性氨基酸的穩(wěn)定性不及堿性氨基酸, 而且多肽的水解也可能首先在含酸性氨基酸的位置進行[2], 這可能是造成這一現(xiàn)象的主要原因。但由于樣品采集時未對原位熱液溫度或沉積物溫度進行準確測定, 無法對這一推測進行進一步的驗證。

圖3 ELSC區(qū)域樣品氨基酸摩爾百分含量組成分布圖

3.3 沉積物中有機質降解程度判別

一些氨基酸指標常用來指示海洋沉積物中有機質的降解程度, 如Asp/β-Ala、Glu/γ-Aba、(Phe+Tyr)/ (β-Ala+γ-Aba)以及氨基酸態(tài)碳在沉積物中占TOC含量的百分比(TAAC%)等。從圖4看, Asp/β-Ala和Glu/γ-Aba兩個指標在指示樣品有機質降解程度上顯示出較為一致的信息, 僅在樣品TVG10中存在差別, 有機質降解程度依次為TVG14 > TVG6 > TVG2≈TVG11 > TVG8 > TVG5 > TVG9。對于TVG10樣品, Asp/β-Ala顯示其為所有樣品中新鮮程度最高的, 但Glu/γ-Aba顯示它的新鮮程度要略低于TVG9。

然而, 由于有機體中的Asp和Glu的含量是變化的, 并且在很多情況下, Asp和Glu并不僅是通過部分脫羧反應分別降解為β-Ala和γ-Aba, 還可能通過其他降解途徑生成其他最終產物[27], 因此, Asp/β-Ala和Glu/γ-Aba這兩個指標在復雜沉積環(huán)境中的應用有其局限性。一些模擬實驗亦表明在高溫高壓流體條件下進行的Streeker類型反應中檢測到了獨特的ω-氨基酸產物, 如β-Ala和γ-Aba等, 表明在海底熱液環(huán)境中存在的部分ω-氨基酸可能是非生物合成的[6], 這種高溫條件下非蛋白質氨基酸來源的多重性使得這類指標的應用具有一定的局限性。

TAAC一般隨著有機質降解程度的增加而降低, 因此TAAC%可以作為衡量有機質降解程度的參考指標。在極端環(huán)境下, 用氨基酸整體指標去降低由于個體氨基酸差異降解引起的判別誤差更符合實際。從Asp/β-Ala、Glu/γ-Aba及TAAC%三者表征的樣品有機質降解程度看(圖4), 結果很不一致。TAAC%顯示的有機質降解程度為: TVG11 > TVG14 > TVG9 > TVG5≈TVG2 > TVG6 > TVG10 > TVG8。總的來看, 采集于熱液區(qū)的 TVG6、TVG8和TVG10樣品的有機質均較新鮮, 其他樣品經歷了較高程度的降解。

從TAAC%提供的有機質降解信息結合樣品采集信息來看, 樣品中有機質降解程度與采樣區(qū)域的生物活動性密切相關, 有機質新鮮的樣品TVG6、TVG8和TVG10中均見有生物樣品或殘骸, 熱液生物活動的存在使得熱液噴口或附近沉積物中氨基酸能得到持續(xù)的補充。而在非熱液噴口區(qū)域采集的樣品如TVG11和TVG14, 生物活動匱乏, 在成巖改造作用下, 沉積物有機質降解程度較高。TVG2采樣點位于ELSC區(qū)域北部, 不在現(xiàn)有已知的熱液場區(qū)域范圍內, 樣品未見肉眼可見的熱液生物樣品, 但有機質含量較高且有機質相對新鮮, 原因有待進一步研究。

圖4 ELSC區(qū)域樣品中有機質降解程度判別

從ELSC區(qū)域樣品的研究結果看, 在深海熱液環(huán)境中, 常規(guī)氨基酸有機質降解指標的應用受到了極大的挑戰(zhàn)。首先, 深海沉積物的貧有機質、高度降解特征及生物對個別氨基酸的強選擇性吸收使得許多樣品中個別氨基酸僅為痕量檢出或缺失。其次, 深海熱液環(huán)境高溫、高壓的極端條件下, 氨基酸的降解可能有多種途徑, 如Asp和Glu的降解可能不再以單一的通過酶在α-碳上的脫羧基作用的方式進行。Cox.[28]在模擬的熱液環(huán)境下進行了Asp動力學反應實驗, 結果發(fā)現(xiàn)在較低溫度下, Asp降解有幾種反應途徑, 包括去碳酸基反應和聚合反應; 在高溫條件下(170℃)Asp發(fā)生了更為復雜的反應, 可以同時發(fā)生二聚物、環(huán)化作用、脫氨基作用和脫羧基作用。這樣看來, 依靠個體氨基酸去作為判別有機質降解程度的指標具有不準確性, 即使是利用主成分分析的方法去做統(tǒng)計學上的分析, 也可能因為某些個體氨基酸的缺失而在統(tǒng)計結果上出現(xiàn)偏差。因此, 氨基酸常規(guī)指標在熱液極端環(huán)境中的應用需謹慎。

3.4 氨基酸對映異構體比值

生物體中絕大部分蛋白質氨基酸都是L型氨基酸, 但也存在部分D型氨基酸, 主要作為細菌細胞壁肽聚糖的組成成分, 或某些細菌的代謝產物存在[29]。隨著生物體的死亡和分解, L型氨基酸會逐漸向D型氨基酸轉化, 這種轉化受時間和溫度的影響。Hare.在1968年發(fā)表的文章中指出, 在地質體中存在著生物體殘留的光學活性氨基酸, 這些氨基酸隨著地質年齡的增大而趨于完全外消旋化。地質體中氨基酸的D/L比值除了受溫度和時間影響外, 其他因素的影響也是不可忽視的[2]。由于生物體中絕大多數(shù)蛋白質氨基酸是以L型氨基酸存在的, 樣品中低氨基酸D/L值可能指示了較高的生物活動性[6]。在細菌大量繁殖區(qū)域可以檢測到較高含量的D型氨基酸, 因此氨基酸的D/L比值能夠指示熱液環(huán)境中微生物活動的強弱[30]。

在ELSC區(qū)域樣品中, 除TVG8外, 熱液噴口區(qū)域和非熱液噴口區(qū)樣品D/L比值沒有顯著的區(qū)別(圖5)。樣品TVG8采集于高溫熱液區(qū)域, Asp、Glu和Ser的D/L比值在所有樣品中最高, 分別達0.46、0.19和0.81, 其較高的D型氨基酸含量推測主要來自于樣品表面覆蓋的微生物菌席的貢獻。熱液活動對TVG8樣品中D/L值可能亦有一定的影響, 熱液活動區(qū)域高的溫度加快了氨基酸的消旋化速率使得氨基酸的D/L值增加。

圖5 ELSC區(qū)域樣品中個體氨基酸D/L比值對比

樣品TVG5、TVG6和TVG10中THAA含量較高而D/L值相對較低, 指示該區(qū)域可能有較強的浮游或底棲生物活動。由于樣品TVG5和TVG6采樣站點為低溫熱液區(qū), 溫度對氨基酸消旋化造成的影響并不大。樣品TVG5中見有大量的蠕蟲, 樣品TVG6中也見有少量熱液生物樣品, 對沉積物中氨基酸的貢獻以L型氨基酸為主, 是造成樣品中相對低的D/L比值的原因之一。但Silfer.對位于南極半島弧后洋中脊系統(tǒng)邊緣盆地的Bransfield Strait熱液活動區(qū)柱狀沉積樣品進行的氨基酸分析結果顯示在深部的柱狀沉積物可能遭遇了熱液活動的影響,沉積物中氨基酸混入了熱液流體中的游離氨基酸, 這種混合可能會導致沉積物中D/L比值的降低[31]。鑒于TVG5樣品中見有良好的熱液通道結構, 熱液流體中游離氨基酸的影響也可能是造成該樣品中D/L值偏低的原因。

TVG2是一個特殊的樣品, 其THAA含量和D/L值均較高, 有機質亦比較新鮮, 推測采樣點或其附近區(qū)域可能存在較強的微生物活動和溫度異常。樣品TVG14的THAA含量很低, 從TAAC值來看, 有機質降解程度比較高, 但該樣品Ala的D/L值是所有樣品中最高的, 其他氨基酸對映體比值也在一個較高的水平, 反映了該采樣點生物活動性很低, 缺乏底棲動物群落分布, 熱液活動環(huán)境下的溫度因素可能是造成TVG14樣點D/L值相對偏高的主要原因。

從ELSC區(qū)域樣品分析結果來看, 氨基酸D/L比值受生物因素的影響較大, 但由于缺乏各種溫度下氨基酸消旋化程度的模擬實驗, 缺乏采樣點原位溫度數(shù)據以及熱液區(qū)生物群落分布情況的相關基礎數(shù)據, 目前無法準確判定在氨基酸消旋化過程中, D/L值的變化究竟是生物因素還是溫度因素為主導, 使得利用D/L值對熱液沉積環(huán)境中溫度和生物活動性的指示意義不確定。

4 結 論

東勞擴張中心表層沉積物樣品中有機質含量普遍較低, 熱液活動區(qū)域原位化能合成作用對沉積物中氨基酸的相對富集有較大的貢獻。沉積物中THAA含量的不同與采樣點生物群落活動狀況和生物群落分布范圍有關, 樣品礦物組分對氨基酸的保留有一定的影響。

ELSC區(qū)域各個熱液場表層樣品中個體氨基酸的分布均有各自的特征, 采樣點不同的熱液活動變化、沉積環(huán)境溫度、生物群落的分布以及樣品的礦物組成等因素對氨基酸的組成分布有著重要的影響。

熱液極端環(huán)境下, 個別常規(guī)的判別沉積物中有機質活性的氨基酸指標不再適用, 對此選擇TAAC%作為衡量熱液沉積物中有機質活性的指標。熱液噴口區(qū)域沉積物樣品有機質新鮮程度普遍高于非熱液噴口區(qū)域樣品, 溫度是影響熱液環(huán)境中氨基酸降解途徑的重要因素, 生物群落的活動性對有機質的新鮮程度亦有重要影響。

根據樣品中THAA含量、TAAC%及個體氨基酸的D/L比值可以粗略判斷生物活動性的大小及細菌對THAA的相對貢獻。從ELSC區(qū)域的研究結果來看, 僅根據氨基酸的D/L值并不能準確地區(qū)分熱液噴口活動區(qū)域和非熱液活動區(qū)域在溫度和生物活動性上的差異。由于熱液環(huán)境的極端復雜性, 沉積環(huán)境溫度變化、生物活動性的大小和生物擾動因素等都可能對D/L值造成很大的影響, 對這一指標在溫度和生物活動性的指示意義方面的應用尚不夠成熟。

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Amino acid composition and its biogeochemical significance in sedimentsfrom the Eastern Lau Spreading Center, South Pacific Ocean

WANG Li-ling1,2, YANG Qun-hui3, FU Shao-ying4and HU Jian-fang1*

1. State Key Laboratory of Organic Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China; 4. Guangzhou Marine Geological Survey, the Ministry of Land and Resources of China, Guangzhou 510630, China

The total hydrolysable amino acid (THAA), the ratios between D and L of amino acids (D/L) and the total organic carbon (TOC) were analyzed in surface sediments taken from the Eastern Lau Spreading Center (ELSC), South Pacific Ocean. The contents, sources and degree of decomposition of the organic matter (OM) in sediments have been investigated. The D/L ratios of amino acids were used to indicate the biological activity and temperature variation in hydrothermal field. The results showed that the contents of TOC and THAA in sediments were in the range of 0.70 – 2.15 mg/g (dry weight) and 30 – 511 μg/g (dry weight), respectively. The chemosynthetic-based in-suit community’s productivity in the hydrothermal systems contributed significant composition to the relative enrichment of THAA. The contents of THAA of the sediments were related to the in-suit community’s activity and composition, and the mineral composition of the sediments. The compositions of amino acids in sediments were different from each site for different hydrothermal system, because different hydrothermal system exhibits different hydrothermal activity, mineral composition of the sediments, and biological community. The percentage of organic carbon normalized to amino acid carbon (TAAC%) could be used to indicate the degree of degradation of sedimentary OM. The TAAC% showed that activity of OM in the hydrothermal vent fields was higher than those in non-hydrothermal vent fields. Relatively high temperature in the hydrothermal fields might influence the degradation path way of amino acids. The D/L ratios of aspartic acid (Asp), glutamic acid (Glu), serine (Ser) and alanine (Ala) in sediments showed a wide range, for example, the D/L ratios of Asp, Glu, Ser and Ala were 0.08 – 0.46, 0.06 – 0.19, 0.01 – 0.81 and 0.10 – 0.30, respectively. According to the contents of THAA, TAAC% and the D/L ratio of individual amino acid, the biological activity of biomass and the relative contribution of the THAA of bacteria could be assessed. However, it cannot be accurately distinguished between the hydrothermal active fields and non-hydrothermal active fields on the temperature and biological activities just by the composition of the amino acid.

hydrothermal; sediment; amino acid; degree of degradation; biological activity; South Pacific Ocean

P593

A

0379-1726(2012)01-0023-12

2011-01-26;

2011-07-20;

2011-09-19

中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目(KZCX2-YW-JC103); 中國科學院廣州地球化學研究所人才基金項目(GIGRC-09-02); 國家自然科學基金(40976025); 國際海底區(qū)域研究開發(fā)“十一五”項目(DYXM-115-02 -4-04)

王麗玲(1983–), 女, 碩士, 環(huán)境科學專業(yè)。E-mail: wangliling24@163.com

HU Jian-fang, E-mail: hujf@gig.ac.cn, Tel: +86-20-85290163