论文部分内容阅读
水体富营养是当今世界面临的一个严重环境问题。磷是大多数湖泊富营养化的限制因子。湖泊沉积物是湖泊营养物质的蓄积库，在切断外源污染的情况下，沉积物内源磷的释放仍能使水体处于富营养化状态。因此，沉积物中营养物质的释放一直是国内外关注的研究热点。在磷的生物地球化学循环过程中，磷酸酶起着十分重要的作用。水体与沉积物中的碱性磷酸酶能催化有机磷分解释放正磷酸盐，由此形成生物可利用性磷的重要补充途径。
除氮，磷等大量营养物质外，其它营养物质及微量元素如铁、锰、钼、硫等在水体富营养化和水华暴发过程中也起到了较大作用。了解沉积物中微量元素在不同外界条件及微生物的作用下的释放机理有助于湖泊富营养化问题的解决。
本论文以富营养湖泊太湖为研究对象，系统的调查了不同营养水平湖区沉积物中碱性磷酸酶活性的时空变化；同时在实验室模拟湖泊环境，考察和分析不同环境条件对沉积物中微量元素(Fe、Mn)释放的影响。主要研究结果如下：
1．太湖沉积物中碱性磷酸酶普遍存在。不同湖区沉积物中APA具有空间异质性，这与湖泊的营养程度、沉积环境及生态类型相关。初步推测太湖沉积物中碱性磷酸酶活性大小为：草型湖泊＞过渡型湖泊＞藻型湖泊。湖泊的水动力条件和污染程度是影响沉积物中碱性磷酸酶的重要条件。沉积物中碱性磷酸酶活性的时间分布表现为夏、秋季高，冬、春季低。酶活性在垂向分布最大值出现在沉积物的最表层(0～2cm)，且活性随采样深度的增加而递减。
2．应用淡水沉积物磷形态的标准测试方法(SMT)测定了夏季柱状沉积物中各磷形态的含量。太湖各湖区沉积物总磷和各磷形态空间分布差异性较大。总磷(TP)的平均含量为606.6～1692mg/kg，高营养程度的北部湖区高于其他湖区。无机磷(IP)是各湖沉积物中磷的主要成分。在富营养程度高的藻型湖区梅梁湾，铁铝磷(Fe/Al-P)是磷的主要存在形态；而在水质较好的草型湖区东太湖，则以有机磷(Org—P)为主。在垂向分布上，各形态磷都有一定的变化规律，但不同磷形态的变化趋势不同。
3．碱性磷酸酶活性与各磷形态的相关性分析表明，酶活性与总磷和总无机磷的含量显著正相关，且在水动力差的点位呈极显著相关。与有机磷的相关性表现出复杂性，在不同点位差异很大。碱性磷酸酶活性与各种形态磷的多元线性回归方程为：APA=—97+0.768TP—0.985Fe/Al-P。
4．碱性磷酸酶动力学参数研究表明，酶的动力学行为具有明显的空间异质性，柱状沉积物碱性磷酸酶的Vmax/Km的最大值均出现在最表层(0～2cm)或次表层(2～4cm)的沉积物中，酶动力学参数进一步说明，在水体沉积物的表层，由磷酸酶介导的磷循环过程是最为活跃的。沉积物有机质含量与磷酸酶动力学参数Vmax、Km均呈显著正相关，沉积物中不存在明显的酶的底物诱导效应。
5．研究了环境因子(pH值，DO，温度，光照)对沉积物中Fe、Mn释放的影响。酸性条件有利于沉积物中Fe、Mn的释放。水体的pH=4时，沉积物中Fe、Mn的释放能力最强，最大释放量分别为129.3mg/m2和728.4mg/m2。水体DO的变化对沉积物中Fe的释放影响不大，无论是处于氧化状态还是还原状态下，其最大释放强度都很小，Fe的释放过程主要受SO42-还原作用的制约。还原条件下，沉积物中Mn的释放量(155.3mg/m2)要远高于氧化条件下的释放量(67.7mg/m2)。温度对沉积物中Fe的释放影响比较微弱，高铁还原菌可能参与了铁的微生物异化还原过程，其活性与沉积物中Fe的释放强度具有很好的一致性；温度对沉积物中Mn的静态释放几乎没有影响。光照使沉积物中Fe的释放量明显增高。；不同光照期，沉积物中Mn的释放强度不同。
6．铁，锰对铜绿微囊藻的生长有显著影响。在一定浓度范围：Fe3+(0-2.0mg/L)，Mn2+(＜0.2mg/L)，铜绿微囊藻的生长随Fe、Mn浓度增加而加快。当Fe3+、Mn2+达到2.0mg/L时，对铜绿微囊藻来说趋于饱和，达到最大现存量。当Fe3+、Mn2+浓度大于4.0mg/L时，则对铜绿微囊藻的生长产生抑制。动力学研究表明，铜绿微囊藻对总铁的半饱和常数KsFe=0.1104，对总锰的半饱和常数KsMn=0.0489，说明铜绿微囊藻对总锰的吸收能力高于对总铁的吸收能力。对铜绿微囊藻特定增长率来说，其增加速度较快的总铁浓度区间为0-1.0mg/L，总锰的浓度区间为0-0.5mg/L。从现存量看，其增加速度较快的总铁浓度区间为0-2.0mg/L，总锰的浓度区间为0-0.2mg/L。
7．太湖沉积物中微生物活性调查表明，太湖不同营养水平湖区沉积物均能检测出硫酸盐还原菌(SRB)和铁细菌。沉积物中SRB的数量范围为61.6～1.01×105个/g干泥。铁细菌的数量范围为1.79x104～4.15×105/g干泥。不同采样点位中硫酸盐还原菌的垂向分布呈现不同的规律。在Site A 和Site B，硫酸盐还原菌在沉积深度2cm附近具有最大活性，随着沉积深度的增加，SRB的活性迅速降低，在A，B两采样点，硫酸盐还原作用主要发生在表层沉积物中。在 D 点，硫酸盐还原菌的分布出现了两个峰值，一个在表层氧化—还原的过渡带(0-2cm)，另一个在更深的还原带(6-10cm)。可能意味着不同深度的细菌利用不同的底物或者显示不同生态耐受性。沉积物中铁细菌的垂向分布为铁细菌活性在沉积物中含氧量较高的氧化—还原过渡层(0-6cm)要远高于深部的还原层。野外实验进一步证实，沉积物中Fe的释放主要受硫酸盐还原作用的制约。
8．太湖贡湖湖区沉积物中硫酸盐还原菌对温度具有较强的适应能力。水体的pH值从pH=4变化到pH=10时，沉积物中均能检测出SRB的活性。酸性水体沉积物中SRB的活性要显著高于碱性水体沉积物中SRB的活性。光照对沉积物中硫酸盐还原菌的分布无显著影响。太湖贡湖湖区沉积物中铁细菌在15℃时活性最强。且在弱酸性条件下具有较强活性，推测可能为嘉氏铁柄杆菌。太湖贡湖湖区沉积物中铁还原细菌的活性在中低温环境下高于高温环境的活性，碱性环境下沉积物的铁还原菌的活性高于酸性条件，自然水体环境时具有最高活性。