[科普中国]-海水有机物

海水中的有机物可分为无氮有机物、含氮有机物、类脂化合物和复杂有机物等。无氮有机物主要是由死亡的海洋植物在分解过程中形成的，其中最重要的是碳水化合物及其分解产物，按其分解过程依次为木质素、纤维素、淀粉、葡萄糖和有机羧酸。无氮有机物中具有芳香族结构的，是低分子量的酚类和醒类，它们在维生素及抗生素的形成中具有重要作用。含氮有机物主要为海洋植物和动物蛋白质及其分解产物，其分解过程的主要产物有蛋白质、蛋白胨、多肽、氨基酸、胺等。类脂化合物主要有脂肪酸、甘油及其脂族醇、固醇等，与其它有机物相比，其含量少，且分解困难。复杂有机物主要包括腐殖酸在内的腐殖质，由于性质复杂，目前对其组成还了解不多。1

简介存在于海水中的有机物，广义地讲，包括大至鲸小至分子甲烷的有机物。但海洋化学所研究的有机物，主要为海水中海洋生物的代谢物（见海洋天然产物）、分解物、残骸和碎屑等，它们是海洋中固有的；还有一部分是陆地上的生物和人类在活动中生成的有机物，通过大气或河流带入海洋中的。就其在海水中的存在状态而言，可分为三类：①溶解有机物（DOM）,②颗粒有机物(POM)和③挥发性有机物（VOM）。通常以孔径为0.45微米的玻璃纤维滤膜或银滤膜过滤海水，滤下的海水中所含的有机物称为溶解有机物，留在滤膜上的有机物为颗粒有机物。由于大部分海水有机物的化学组成尚不清楚，在研究海水有机物分布时多以溶解有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)分别代表 DOM和POM。有时尚用溶解有机氮(DON)、溶解有机磷(DOP)、颗粒有机氮 (PON)和颗粒有机磷(POP)表示。

分布特征含量的分布 大洋中的溶解有机碳,通常在深度100米以内的上层海水中的含量较高，有季节性变化，用湿法测得的含量，高时可达1.3毫克碳/升；深度越大，含量越小，在深度超过 300米的海水中，含量几乎没有季节性变化。有些海区的溶解有机碳含量，可低至 0.2毫克碳/升。在海洋沉积物间隙水中,溶解有机碳的浓度很高,可达100～150毫克碳/升。海水中颗粒有机碳含量为20～200微克碳/升,多数在数十微克碳/升左右。在上层海水中，颗粒有机碳的含量大约只有溶解有机碳的1/10，而在深水中，则只有1/50。近岸海域中颗粒有机碳的含量，可比大洋水高1～2个数量级。一般，初级生产力高的海域，颗粒有机碳含量也高，如在秘鲁流和北大西洋海水中，其含量在夏季可大于100微克碳/升。海水中挥发性有机碳的含量，大约为总有机碳的2～6%。河口海域的生物生产力高，海水中有机物的含量普遍高于大洋，尤以颗粒态者为甚(表1)。 大洋中总有机碳的平均含量约为1毫克碳/升，因而整个海洋中的有机碳总量达1.5×1012吨,与陆地上的煤、泥炭和表层土壤 （0～30米深）中的有机碳总量属同一个数量级，超过海洋生物总量的 500倍，而且所含有机物种类之多，远远超过海洋中的无机物。

有机物成分溶解有机物 主要成分是浮游植物的分泌物、动物的分泌物和排泄物、死生物自消解和受细菌分解过程中的产物等，包括从低分子到高分子的、种类繁多和结构复杂的有机化合物（见海洋浮游生物）。此外，进入海洋的有机污染物，有的也溶解于海水中。
溶解有机物所包含的化合物，种类很多，已被分析确定的很少，以东北太平洋为例，已确定的化合物只不过占溶解有机物总量的10%左右，主要为氨基酸类、糖类、脂肪酸类、尿素等(表2)。 氨基酸类 包括各种酸性的、中性的和碱性的氨基酸。溶于海水中的氨基酸类有游离氨基酸，也有肽和蛋白质等结合氨基酸，它们在大洋海水中的总含量为 5～90微克/升，但在近海或生物生产力高的海域,总含量可高达400微克/升。海水中氨基酸类化合物，无论游离的或结合的，都以甘氨酸、丝氨酸、丙氨酸、鸟氨酸等的含量居多。
碳水化合物 包括单糖类和多糖类。在溶于海水的碳水化合物中，后者的含量通常高于前者。大洋中的糖类,已确定的有葡萄糖、半乳糖和甘露糖等各种巳糖,鼠李糖、木糖和阿拉伯糖等戊糖，还有糖醛酸等。糖的总含量为 200～600微克/升。个别糖的含量只有几个到几十微克/升。
类脂化合物 溶于海水中的类脂化合物，包括分子中碳原子数为10～22的、饱和及不饱和的游离脂肪酸，以及烃类、甘油酯、磷脂、蜡酯和甾族化合物等。各种类脂化合物在海洋中的分布不同，例如：北大西洋海水中的总脂肪酸含量为 13～60微克/升；墨西哥湾海水中的类脂化合物含量为溶解有机碳的15～20%；南大洋水中的类脂化合物含量较多，约占溶解有机碳的40～55%。海水中甾醇类的含量较低，通常只有数微克/升。
维生素类 已定量测定过的有维生素 B12、维生素B1和生物素，它们在深度为0～100米的大洋水中的平均含量分别为0.1、0.8和1.8微克/升，在近岸海水中的含量较高。
有机污染物 随着近代工业和农业的发展，海水中带入了相当量的有机污染物。据1972年资料，多氯联苯(PCBs)在北大西洋表层水中的平均含量达 3.5×10-2微克/升，直至3000米深处还能测出。农药DDT在海水中的分布也很广泛，经由大气传播，在南极海域中都能测到。现今对DDT的使用量减少,海水中的含量一般低于10-3微克/升。此外,海洋还受到石油烃类的污染（见海洋石油污染）。
海水中已测定的溶解有机物，还有尿素、核苷酸、三磷酸腺苷和其他含氮化合物，并且有微量的生物体的次级代谢物，如激素和化学传讯物质等。其余的溶解有机物，虽然化学组成仍不清楚，但已了解到其中大约60～80%的物质，是能抵制氧化和细菌分解的腐殖质类化合物,它们是碳水化合物,氨基酸、脂肪酸、芳香烃、酚和醌等有机化合物经过复杂的化学过程和生物化学过程而形成的。它们不同于陆地土壤中的腐殖质。后者的木质素含量较多，而且多在海水的盐度小于10的水域中即发生沉淀。近岸大量底栖褐藻分泌到海水中的多酚化合物，能与碳水化合物和蛋白质等聚合成腐殖质，使近岸的溶解有机碳的含量增高；还能逐步转变成大分子有机聚合物,进入食物链,成为滤食性动物和食碎性动物的食物。海水腐殖质和土壤腐殖质相似，可分离为溶于酸的富里酸(FA)和不溶于酸的腐殖酸(HA)两类化合物。富里酸的分子量较低，大约80%的分子量小于1500，而且脂肪酸的含量较高。海洋沉积物中的腐殖质，在一定的条件下，有可能形成石油。
颗粒有机物 通常指悬浮在海水中的直径大于 0.5～1微米的有机物,但实际上包括从胶粒至细菌聚集体和浮游生物体等物质。
河口海区海水中的颗粒有机物，主要是河流和风从陆地带来的；大洋中的颗粒有机物，主要来自海洋生物的排泄物和生物体分解而成的碎屑。在大洋的颗粒有机物中，通常结合着40～70%的硅、铁、铅、钙等无机物。
颗粒有机物水解之后，可生成各种氨基酸、叶绿素、糖类、类脂化合物和三磷酸腺苷等。从三磷酸腺苷的分析值，可推知颗粒有机碳中，约有 3%属活的生物体者。颗粒有机物为食物链的重要的一环，它从浅层逐渐下沉，直至海底，为底栖动物所捕食，大部分都进入沉积层。
挥发性有机物 蒸汽压高、分子量小和溶解度小的有机化合物，包括一些低分子烃、氯代低分子烃、氟代低分子烃、 DDT的残留物和一氧化碳等。其中以甲烷的含量最高；其次是C2～C7的烃类，如乙烷、乙烯、丙烯等。它们能在风力、波浪等动力条件下蒸发，逸入海洋上空的大气中。
前述三类海洋有机物，在海洋中经历着错综复杂的相互转变，大部分有机物最终被氧化成二氧化碳，后者又经浮游植物吸收,通过光合作用而重新变成有机碳,形成了有机碳在海洋中的循环（见图）,而且在海水有机物的储存、输入和损失之间,有一定的比例关系(表3)。在这三类有机物中，溶解有机物对海水的性质和海洋生物的影响最为突出。 溶解有机物在海水中的影响 溶解有机物在海水中的含量虽低，但它和海水的物理性质和化学性质，却有很大的关系，且对海洋生物的生长和繁殖有重要的作用。主要表现如下：①对海色的影响。有机物被无机悬浮物吸附后，增加了悬浮物的稳定性，从而影响海水的颜色和透明度。②提高一些成分在海水中的溶解度。海水中碳酸盐所以呈过饱和状态，其原因之一是有机物被吸附在碳酸钙微晶表面上,阻碍晶体的生长,故悬浮在海水之中而不沉淀，可使碳酸盐的含量超过通常的溶解度。溶解有机物的存在，也能提高其他一些难溶的金属盐类和烃类在海水中的溶解度。③对生物过程和化学过程的影响。无机悬浮物上所吸附的有机物，能进一步吸附和浓缩细菌，在颗粒表面上进行生物化学过程，使被吸附的有机物降解和转化。另外，有机物的氧化还原作用，影响海洋环境的氧化还原电位，也影响着海水中的生物过程和化学过程。 ④对海-气交换的影响。海水的微表层富含有机物，其含量超过海水中含量的10～1000倍，有促使微表层起泡沫的性能，且能降低海－气交换的速度(见气体在海洋与大气间的交换)。溶解有机物与气泡作用,可使表层水中颗粒有机物的含量增加；反过来,颗粒有机物也可分解而生成溶解有机物。两者之间相互转化并达到平衡。⑤对多价金属离子的络合作用。溶解有机物中的氨基酸和腐殖质等物质,含有各种活性官能团,能通过共价键或配位键与多价金属离子发生络合作用，形成有机络合物，如使铜离子等有毒的重金属离子的毒性降低，甚至转化成无毒的物质；阻碍磷酸盐和硅酸盐等物质沉淀，延长它们在水体中的停留时间，更好地被生物利用,从而对海洋生态系有重要的意义。另一方面,海水中的许多重金属，都是由河流带来的。当河水流入河口海区时,形成的金属有机络合物,因水体的酸碱度和盐度发生急速的变化而逐渐沉淀下来。从这一点来说，河口区对重金属污染物有自然的净化能力。⑥对生理过程的作用。近岸底栖的褐藻,分泌出大量的多酚化合物,根据其在海水中含量的多少，对生物的生长有促进或抑制作用。在溶解有机物中,有微量的化学传讯物质,它们是一些海洋生物所分泌的，能支配生物的交配、洄游、识别、告警、逃避等种内的和异种之间的各种生物过程的成分（见海洋生物化学）。
研究简史和展望 早在1892年，K.纳特雷尔就测定过海水中溶解态脂肪酸的含量；1909年A.皮特尔又测定了海水中溶解有机物的含量。这是海水有机物最早期的研究工作。到了20世纪30年代，S.A.S.克罗格和B.T.达茨科等人研究了海水中溶解有机碳的含量分布，这才开始了对海水有机物的系统研究。从此之后，许多学者致力于分析各海区的有机碳、有机氮和有机磷的含量分布。从50年代起，为了配合水域生物生产力的研究，对个别的天然有机产物和人造有机污染物的分布，进行过大量的研究工作。自70年代以来，这方面取得了较大的进展。1977年在爱丁堡召开的国际学术会议上，讨论了海洋有机化学的概念和发展方向。1981年，E.K.迪尔斯马发表了《海洋有机化学》专著。海洋有机化学的发展，与水域生产力、元素地球化学、生物地球化学、沉积成岩作用的理论研究、海洋生物资源利用等方面有密切的关系。80年代，人们将进一步研究溶解有机物的形成、化学结构、氧化降解动力学、各界面上的通量、归宿，研究溶解有机物对海洋生态学、元素地球化学和沉积成岩作用的影响，并将更广泛和深入地研究海洋生物的次级代谢物的分离、化学结构、生理活性和潜在的抗菌、抗肿瘤等药效。2 E.K.Duursma，R. Dawson， eds，Marine OrganicChemistry，Elsevier Scientific Publ.，New York，1981

本词条内容贡献者为:

刘勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院