太湖藻源性颗粒有机物特征、磷降解机制及其生态效应

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近年来,我国东部浅水湖泊广泛受到富营养化问题的困扰。随着外源污染控制的日益完善,湖泊内源污染控制受到越来越多的关注。本文以我国东部典型富营养化湖泊-太湖水体中的藻源性颗粒有机物为研究对象,围绕藻源性颗粒有机物产生、降解、再生过程及所伴随的湖泊内源营养盐循环途径,通过野外原位调查、定点连续观测和不同尺度下的模拟实验等方法,运用分析化学、生物化学、酶反应动力学参数测定等实验手段,研究了太湖水体中藻源性颗粒有机物的时空分布和颗粒磷的组成特征、降解机制及其对水体中生物可利用磷的补充、蓝藻水华循环暴发的影响,探讨水体中藻源性颗粒有机物在湖泊内源营养盐循环中的贡献。主要研究结果如下:  (1)基于太湖不同生态类型湖区的水质、颗粒物的周年野外原位监测,发现:太湖不同生态类型湖区水体中颗粒物的总量、化学及生物学组成存在显著的时空差异。水体中的颗粒有机物(POM)呈现出夏季高于冬季、藻型湖区高于草型湖区的趋势;浮游植物的新陈代谢过程是决定水体中POM含量、迁移转化途径的重要因素。  (2)利用液相31P NMR对太湖原位水体中悬浮颗粒物磷组分的分析,显示:太湖水体颗粒物中的磷主要由膦酸脂(Phos)、正磷酸盐(OrthoP)、磷酸单酯(MonoP)、磷酸二酯(DiP)、焦磷酸盐(PyroP)、多聚磷酸盐(PolyP)等组成,其中正磷酸盐、磷酸单酯、磷酸二酯的含量相对较高。与其他湖泊沉积物、悬浮颗粒物相比,太湖水体颗粒物有机磷组分中Pyro/PolyP较高,且与Chla正相关,与SRP负相关,这一方面表明:颗粒物中的Pyro/PolyP可能是在藻类或者细菌旺盛生长过程中产生的、且是细胞富集P的载体;另一方面暗示太湖目前水体中的P浓度水平可能并不对浮游植物的生长造成限制。此外,河流输入的外源污染中颗粒磷多以OrthP的形式存在,易被生物利用,是水体中颗粒磷的一个重要补充来源。  (3)原位定点连续监测显示:太湖藻型湖区水体中颗粒物的沉降通量与表层水体中的蓝藻水华密切相关。当水体中出现蓝藻水华后,水体中沉降颗粒物的沉降通量会出现一个自上而下的峰值;藻类残体由表层沉降至底部大约需要2-3天的时间。此外,风浪扰动也是影响水体中沉降颗粒物沉降通量和藻源性颗粒物垂向空间分布的一个重要因素。藻源性颗粒有机物沉降过程中,易于降解的生物可利用有机磷,如:多聚磷酸盐、DNA-P等的比例下降,正磷酸盐则在沉降性颗粒有机物中出现明显的累积,导致表层和底层沉降颗粒物磷组分差异显著。蓝藻水华爆发时,藻源性颗粒有机物携带着大量的碳、氮、磷等营养物质,沉降、积累在沉积物中,对湖泊中的营养盐循环起着重要的作用。  (4)水华蓝藻降解模拟实验显示:水华暴发时,水体的POM可占水体碳氮磷比例的80%以上,且与Chla浓度呈现出极显著的正相关,表明蓝藻水华是水体中的颗粒有机物的一个重要来源。这些藻源性的POM在降解过程中,会释放出大量的氮磷等营养盐。在无光照的条件下,颗粒物中的有机氮会首先被转化NH4+,继而再被转化成NO2-和NO3-,而有机磷则被快速地降解为SRP,如聚磷酸盐、焦磷酸盐、磷酸二酯等易降解的有机磷,在2天内即可达到或接近完全降解;在光照条件下,NH4+、SRP等颗粒物的降解产物则会被水体中的浮游植物所重新利用,成为水体中藻类生长、水华暴发的一个重要营养盐补偿来源。  (5)太湖水体颗粒态磷中,生物可利用磷所占的比例较高,平均可达40%以上,且夏季水华发生期间,比例还会上升,是水体中生物可利用磷的主要储存形式。以藻源性颗粒物磷为磷源培养微囊藻时,微囊藻的细胞密度、生长率均与以Na2HPO4为磷源的培养体系相似,表明:藻源性颗粒有机物中的磷通过降解,可以转化为藻类可利用的磷,以促进微囊藻的生长。计算显示,太湖水体中藻体内磷的年平均含量约为120t,在夏季随蓝藻水华的出现还会大幅升高。因此,今后在进行太湖富营养化控制时,必须高度重视藻源性颗粒有机物在水体中的内循环过程对水生态系统造成的影响。
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