富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊沉積物磷釋放機(jī)理研究綜述

李 慧 余能智

(1.銅仁學(xué)院農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院， 貴州 銅仁 554300; 2.銅仁市創(chuàng)建國(guó)家環(huán)境保護(hù)模范城市辦公室， 貴州 銅仁 554300)

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富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊沉積物磷釋放機(jī)理研究綜述

李 慧1,2余能智2

(1.銅仁學(xué)院農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院， 貴州 銅仁 554300; 2.銅仁市創(chuàng)建國(guó)家環(huán)境保護(hù)模范城市辦公室， 貴州 銅仁 554300)

淺水湖泊沉積物中磷的釋放是引起湖泊富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生的重要因素，其主要?dú)w因于沉積物中有機(jī)質(zhì)的富集。沉積物有機(jī)質(zhì)的分解導(dǎo)致底層耗氧，進(jìn)而導(dǎo)致氧化還原態(tài)磷的釋放。微生物分泌的胞外堿性磷酸酶水解有機(jī)磷釋放的無機(jī)磷是浮游植物磷營(yíng)養(yǎng)的重要來源；有機(jī)質(zhì)包括有機(jī)氮及有機(jī)氮分解產(chǎn)物無機(jī)態(tài)氨均能誘導(dǎo)微生物分泌堿性磷酸酶。

富營(yíng)養(yǎng)化； 淺水湖泊； 沉積物； 磷釋放

我國(guó)湖泊水庫(kù)污染日益嚴(yán)重，主要表現(xiàn)是富營(yíng)養(yǎng)化。湖泊水庫(kù)的污染不僅影響水體的功能(如供應(yīng)生活用水)，以及危害水體生物，而且正在導(dǎo)致湖泊水庫(kù)本身的消亡。湖泊富營(yíng)養(yǎng)化已成為目前我國(guó)最為嚴(yán)重的水環(huán)境問題之一，其主要表現(xiàn)形式包括浮游植物過量生長(zhǎng)、有毒藍(lán)藻水華頻發(fā)、水質(zhì)惡化、透明度下降、水生高等植物消失、厭氧程度加劇、魚類猝死、生物多樣性下降、水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能受損等，從而破壞工農(nóng)業(yè)和休閑娛樂用水的可持續(xù)性，乃至威脅飲用水的安全。從基本理論上講，富營(yíng)養(yǎng)化是指一種過程，在這一過程中，植物營(yíng)養(yǎng)元素磷的激增導(dǎo)致浮游植物的過量生長(zhǎng)和氧的銳減，從而引起湖泊生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生一系列劇變。20世紀(jì)70年代以后，如何控制水體富營(yíng)養(yǎng)化及伴隨的藍(lán)藻水華爆發(fā)一直是環(huán)境科學(xué)、淡水生態(tài)學(xué)和湖沼學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。近年來，國(guó)家和地方政府禁止工業(yè)廢水直接排入河流，并實(shí)施了一系列污水排放治理計(jì)劃及方案，外源磷污染量得到初步控制，但在一些污染較為嚴(yán)重的大型湖泊(如太湖和滇池)，水體總磷仍呈上升趨勢(shì)[1]。根據(jù)生態(tài)學(xué)最小限制因子定理，集中控制湖泊磷的輸入或大幅度削減其磷負(fù)荷將有效防止富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生與發(fā)展。然而，事實(shí)并非如此，蘇格蘭Leven湖外源磷輸入的減少導(dǎo)致湖內(nèi)磷負(fù)荷的顯著降低，春季葉綠素a(Chla)濃度下降，夏季水質(zhì)好轉(zhuǎn)，但全年Chla平均濃度未見明顯變化。對(duì)丹麥27個(gè)湖泊的研究發(fā)現(xiàn)，雖然這些湖泊的外源磷負(fù)荷得到了大幅削減，但經(jīng)過了4～16年，水體中的磷濃度也未達(dá)到期望的水平，故外源污染與內(nèi)源負(fù)荷密切相關(guān)，尤其是在外源負(fù)荷大幅減少的同時(shí)，內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的比重逐漸增加。原因主要是：一方面，水體普遍受到外源污染后，湖泊水體內(nèi)顆粒態(tài)磷可以直接沉積到水底沉積物中；另一方面，溶解態(tài)磷可以被初級(jí)生產(chǎn)者利用，然后以有機(jī)質(zhì)的形式沉積到沉積物中。當(dāng)外部污染源受到有效控制后，沉積物對(duì)上覆水體的影響作用就突顯出來，成為潛在的污染源。因而以沉積物作為主體的內(nèi)源對(duì)上覆水體的釋磷作用不容忽視[2]。鑒于此，本文對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊沉積物磷釋放的相關(guān)研究進(jìn)行綜述，主要包括：?湖泊富營(yíng)養(yǎng)化與沉積物有機(jī)質(zhì)的關(guān)系；?有機(jī)質(zhì)分解導(dǎo)致沉積物磷釋放的機(jī)理，主要包括磷的厭氧釋放和酶促水解作用。

1 湖泊富營(yíng)養(yǎng)化與沉積物有機(jī)質(zhì)的關(guān)系

湖泊沉積物有機(jī)質(zhì)具有重要的生態(tài)學(xué)意義。有機(jī)質(zhì)在沉積物中的累積是沉降、分解和轉(zhuǎn)移共同作用的結(jié)果。沉積物中有機(jī)質(zhì)的形成和補(bǔ)充主要與浮游植物和高等水生植物的生長(zhǎng)、繁殖和發(fā)展有關(guān)。在無高等水生植物生長(zhǎng)的湖泊和湖區(qū)，沉積物富集的有機(jī)質(zhì)通常來源于水體浮游植物。當(dāng)浮游植物的生產(chǎn)速率與沉積物有機(jī)質(zhì)累積速率的比值大于20%時(shí)，浮游植物的生產(chǎn)速率與沉積物有機(jī)質(zhì)的累積速率線性正相關(guān)。此外，沉積物有機(jī)質(zhì)的富集與湖泊水深負(fù)相關(guān)。在淺水湖泊，藻類殘?bào)w還未完全分解就已經(jīng)沉降到沉積物表面，有機(jī)質(zhì)更容易在沉積物中富集。沉降的浮游植物是有機(jī)質(zhì)富集的主要來源。大量俄羅斯湖泊水庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)果表明沉積物有機(jī)質(zhì)輸入主要來自內(nèi)源輸入，內(nèi)源有機(jī)質(zhì)輸入量占有機(jī)質(zhì)總量的比例通常大于70%。浮游植物和大型植物都是內(nèi)源輸入的貢獻(xiàn)者，兩者占內(nèi)源輸入的比例與湖泊富營(yíng)養(yǎng)水平、水深等因素有關(guān)。在淺水富營(yíng)養(yǎng)湖泊，大型植物可能是沉積物有機(jī)質(zhì)的主要來源，大型植物產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)是浮游植物產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)的1.5～2.5倍。

浮游植物及其衍生物的沉降作為沉積物有機(jī)質(zhì)的重要來源并為底層生物提供能量。與此同時(shí)，有機(jī)質(zhì)分解的營(yíng)養(yǎng)再生是支撐水體初級(jí)生產(chǎn)力的重要過程。富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉積物積累的大量有機(jī)質(zhì)可為微生物生長(zhǎng)提供充足的碳源，微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解將導(dǎo)致底層缺氧，進(jìn)而導(dǎo)致沉積物磷的大量釋放。有研究學(xué)者將富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)格地定義為有機(jī)質(zhì)供給速率的增加。向沉積物的高有機(jī)質(zhì)輸入速率是維持沉積物營(yíng)養(yǎng)高速釋放的重要因素，源于湖泊底部運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)源比外部營(yíng)養(yǎng)源更重要。以每周一次的頻率加入有機(jī)質(zhì)后，間隙水中磷酸鹽的濃度升高，其釋放速率比對(duì)照值高3～5倍，且源于有機(jī)添加物的礦化。凋落在湖泊等水體內(nèi)的水生植物生物質(zhì)經(jīng)過自然腐爛分解后，所含氮、磷的70%以上會(huì)在短期內(nèi)被釋放進(jìn)入水體，參與水體的營(yíng)養(yǎng)再循環(huán)；只有不到30%的氮、磷將會(huì)伴隨著生物沉積進(jìn)入沉積物，參與地球化學(xué)循環(huán)[3]。且研究發(fā)現(xiàn)，水柱中75%的銨態(tài)氮的變化和65%的溶解態(tài)磷的變化可從有機(jī)質(zhì)礦化得到解釋。因此，沉積物有機(jī)質(zhì)富集是導(dǎo)致湖泊持續(xù)富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素。

2 有機(jī)質(zhì)分解導(dǎo)致沉積物磷釋放的機(jī)理

2.1 有機(jī)質(zhì)分解導(dǎo)致沉積物磷的厭氧釋放

沉積物在控制水生態(tài)系統(tǒng)需氧量中具有重要作用。在淺水湖泊，大量的有機(jī)質(zhì)還來不及分解就已經(jīng)沉降到沉積物中。在有機(jī)質(zhì)含量較低的巢湖，間隙水溶解態(tài)反應(yīng)性磷濃度較低；而在有機(jī)質(zhì)含量較高的東湖、龍陽湖和墨水湖，間隙水溶解態(tài)反應(yīng)性磷濃度明顯高于巢湖[4]。有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和可分解性是影響間隙水磷濃度的重要因素。新鮮沉降的有機(jī)質(zhì)將提高微生物活性，加速氧氣的消耗。有機(jī)質(zhì)分解過程中產(chǎn)生的小分子有機(jī)碳可為微生物的有氧呼吸提供充足的底物。以過量有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)為標(biāo)志的富營(yíng)養(yǎng)化過程將嚴(yán)重影響水生態(tài)系統(tǒng)中氧的收支，進(jìn)而導(dǎo)致底層缺氧。在厭氧狀態(tài)下，厭氧細(xì)菌將有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸類。這些揮發(fā)性的有機(jī)酸因得不到及時(shí)的好氧降解而逐漸積累，使得水體pH下降，水體發(fā)黑發(fā)臭，導(dǎo)致高等水生植物病害和死亡。因?yàn)楦粻I(yíng)養(yǎng)化增加了到達(dá)沉積物表面的有機(jī)質(zhì)量，在時(shí)間和空間上缺氧程度和范圍有上升的趨勢(shì)。在北美黑水河的沼澤區(qū)，沉積物表層樹葉的微生物呼吸占沉積物需氧量的89%，并占沼澤生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用的57%至89%，沼澤需氧量的大部分是由沉積物表層樹葉的微生物呼吸導(dǎo)致，且樹葉凋落速率高的樹種對(duì)生態(tài)系統(tǒng)呼吸作用的貢獻(xiàn)更大。在澳大利亞環(huán)礁湖Smiths湖，藻類水華后水母大量死亡。在沉積物中添加死亡水母的模擬實(shí)驗(yàn)表明，隨著水母的降解，大量的氨態(tài)氮釋放到水體，沉積物耗氧量增加；9天的培養(yǎng)過程中，死亡的水母導(dǎo)致沉積物增加了454%氨態(tài)氮的流出和209%的耗氧量，水母的腐爛過程會(huì)導(dǎo)致底層水缺氧。摩洛哥Sahela水庫(kù)受城市有機(jī)質(zhì)輸入較多的水域溶氧含量較低，主要是因?yàn)榧?xì)菌生長(zhǎng)繁殖分解有機(jī)質(zhì)導(dǎo)致水庫(kù)底層溶氧急劇下降。在墨西哥灣北部，缺氧的發(fā)生及程度與密西西比河的流量緊密相連，因?yàn)楹铀當(dāng)y帶了大量的有機(jī)質(zhì)，河水流量低的時(shí)候，缺氧區(qū)縮小到小于5000km2，當(dāng)河水流量很高時(shí)缺氧區(qū)增加到大于15000km2。而溶解反應(yīng)性磷的釋放速率很大程度上依賴于水中溶解氧的濃度。在厭氧條件下，三價(jià)鐵被還原成溶解態(tài)的二價(jià)鐵，原本與三價(jià)鐵結(jié)合的磷被釋放出來，從而可以從沉積物間隙水或沉積物表面返回到水體中。當(dāng)接受有機(jī)殘留物的無度排放之后，莫拉萊斯溪流處于厭氧狀態(tài)，其沉積物Fe(OOH)～P向水柱大量釋放。

2.2 有機(jī)質(zhì)分解過程中堿性磷酸酶活性的作用

胞外堿性磷酸酶是一種專一性的磷酸酯水解酶，能在胞外催化水解磷酸酐脂類化合物為有機(jī)殘基和正磷酸鹽的酶，這一過程不僅為生態(tài)系統(tǒng)提供了磷也為微生物提供了碳源。胞外堿性磷酸酶對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)物的轉(zhuǎn)化和沉積物磷的釋放具有關(guān)鍵作用。它們通過水解機(jī)制將大分子轉(zhuǎn)化為寡聚或單分子物質(zhì)，催化有機(jī)磷分解為正磷酸鹽，是生物可利用性磷的重要補(bǔ)充途徑。對(duì)阿根廷Morales溪流的研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)負(fù)荷的增加會(huì)影響沉積物磷的動(dòng)力學(xué)，隨著沉積物中有機(jī)質(zhì)數(shù)量的增加導(dǎo)致有機(jī)態(tài)磷的增加，而這些有機(jī)態(tài)磷因微生物的活性而釋放出來。微囊藻富集的沉積物中溶解反應(yīng)性磷向上覆水的釋放潛力明顯較高，而沉積物中減少的磷形態(tài)多為有機(jī)磷。有機(jī)磷主要是經(jīng)微生物作用水解產(chǎn)生正磷酸鹽并向水柱擴(kuò)散。微生物合成分泌的胞外堿性磷酸酶可水解有機(jī)磷釋放生物可利用磷。而堿性磷酸酶介導(dǎo)的有機(jī)磷的分解是浮游植物磷營(yíng)養(yǎng)的重要來源。酶解產(chǎn)物(正磷酸鹽)能夠滿足以色列Kinneret湖中浮游植物生長(zhǎng)的需要。

研究表明，用誘導(dǎo)劑提高沉積物胞外堿性磷酸酶活性后，沉積物溶解態(tài)反應(yīng)性磷的釋放量明顯增加；相反添加抑制劑后，沉積物溶解態(tài)有機(jī)磷的釋放量明顯減少[5]。有機(jī)質(zhì)就是誘導(dǎo)微生物分泌胞外堿性磷酸酶的重要因素。在有機(jī)質(zhì)含量較高的區(qū)域，沉積物胞外堿性磷酸酶活性通常也較高。劉云兵[4]的研究表明，即使間隙水溶解態(tài)反應(yīng)性磷濃度高達(dá)2mg/L，向沉積物分別添加有機(jī)質(zhì)(葡萄糖、酪蛋白和藻粉)后，胞外堿性磷酸酶活性都均有不同程度的上升，且添加酪蛋白的實(shí)驗(yàn)組胞外堿性磷酸酶活性增長(zhǎng)率最高。此外，土壤中加入富含有機(jī)氮的動(dòng)物有機(jī)廢物之后，脲酶與磷酸酶活性均明顯增加。富含蛋白質(zhì)和氨基酸的植物根際分泌物與無機(jī)態(tài)氨均能促進(jìn)土壤和濕地沉積物中磷酸酶的活性。因此，有機(jī)質(zhì)包括有機(jī)氮及有機(jī)氮分解產(chǎn)物無機(jī)態(tài)氨均能誘導(dǎo)微生物分泌堿性磷酸酶，將有機(jī)磷水解為生物可利用性磷，供藻類生長(zhǎng)。

[1] 黃漪平,范成新,濮培民.太湖水環(huán)境及其污染控制[M].北京:科學(xué)出版社,2001:238-240.

[2] 范成新,王春霞.長(zhǎng)江中下游湖泊環(huán)境地球化學(xué)與富營(yíng)養(yǎng)化[M].北京：科學(xué)出版社,2007:400-404.

[3] 李文朝,陳開寧,吳慶龍,潘繼征.東太湖水生植物生物質(zhì)腐爛分解實(shí)驗(yàn)[J].湖泊科學(xué),2001,13(4):331-336.

[4] 劉云兵.富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊沉積物磷釋放機(jī)制與控制技術(shù)研究[D].武漢:中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所,2010:39-40.

[5] 夏卓英,陳芳,宋春雷,李建秋,周易勇.長(zhǎng)江中下游部分湖泊沉積物堿性磷酸酶分布及其作用研究[J].水生生物學(xué)報(bào),2007,31(1):9-17.

Review of studying eutrophication shallow water lake sediment phosphorus release mechanism

LI Hui1,2, YU Nengzhi2

(1.TongrenCollegeAgricultureandForestryEngineeringandPlanningInstitute,Tongren554300,China; 2.TongrenCreatingNationalEnvironmentalProtectionModelCityOffice,Tongren554300,China)

Phosphorus release in shallow lake sediments is the main factor to cause eutrophication of lakes mainly due to accumulation of organic matter in sediments. Sediment organic matter decomposition leads to underlying oxygen consumption, thereby leading to oxidation phosphorus release. Inorganic phosphorus released by microorganism secretion extracellular alkaline phosphatase hydrolysis organic phosphorus is an important source of phosphorus nutrition of phytoplankton. Organic matter includes organic nitrogen and inorganic nitrogen decomposition product-organic ammonia, which can induce microorganism secretion of alkaline phosphatase.

eutrophication; shallow lakes; sediment; phosphorus release

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.04.017

TV152

B

2096-0131(2016)04- 0056- 03