太湖不同生態(tài)型湖區(qū)懸浮顆粒磷空間分布和降解速率

張毅敏,王 宇,楊 飛,何 東,陳 桐,丁軼睿,晁建穎*

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太湖不同生態(tài)型湖區(qū)懸浮顆粒磷空間分布和降解速率

張毅敏1,2,王 宇1,楊 飛2,何 東2,陳 桐1,丁軼睿1,晁建穎2*

(1.常州大學環(huán)境與安全工程學院,江蘇 常州 213164；2.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇 南京 210042)

對太湖不同生態(tài)型湖區(qū)水體懸浮顆粒物含量,有機磷組成及降解特征進行分析,研究了富營養(yǎng)化湖泊顆粒磷性質(zhì)及其對水體磷循環(huán)的影響.太湖顆粒P平均占水體TP濃度的75.86％;不同生態(tài)類型湖區(qū)間顆粒物性質(zhì)差異明顯,河口區(qū)和湖心區(qū)的顆粒物含量高于藻型湖區(qū)和草型湖區(qū),但顆粒物有機質(zhì)比例分布卻相反.利用31P液相核磁共振法(31P-NMR)發(fā)現(xiàn)太湖懸浮顆粒P的成分包括,正磷酸鹽,磷酸單酯,磷酸二酯,焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽6類,含量分別為1.06%,50.99%,33.02%,2.48%,10.68%和3.80%.不同生態(tài)型湖區(qū)之間顆粒P組成差異明顯,河口區(qū)正磷酸鹽含量最高,達到82.57%,藻型湖區(qū)和湖心區(qū)顆粒有機磷比例最高,分別達到達到 64.02%和63.95%;顆粒物焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽可能以藻源性顆粒物來源為分別與Chla濃度呈顯著相關(guān)(<0.05;<0.01).顆粒態(tài)生物可利用性磷(PEHP)與正磷酸鹽顯著相關(guān)(<0.05),說明顆粒物正磷酸鹽是顆粒物生物可利用性磷的重要來源.太湖PEHP降解速率平均為47.3min,PEHP占水體生物可利用磷(EHP)的65.16%,說明顆粒P是水體溶解性反應磷(SRP)補充的重要來源.

太湖；顆粒物；有機磷；31P-NMR；降解速率

生物有效性和生物生長的關(guān)鍵過程.我國近海水體及淺水湖泊中顆粒磷(PP)占到總磷(TP)的50%以上,太湖梅梁灣甚至達到90%以上[1-3],而太湖水體PP中42%~69%為顆粒態(tài)有機磷(POP)[4],北太平洋表層水中POP則超過80%[5],因此POP是水體中磷(P)的重要存在形式.富營養(yǎng)化水體中,藻類等有機體本身做為重要的顆粒有機物(POM)來源[6],其死亡分解也伴隨著SRP的釋放,可能對水華的爆發(fā)程度和周期有重要的影響[7].但是目前對水體POP的研究尚不多見,尤其是對POP種類組成,降解速率,遷移轉(zhuǎn)化和歸趨過程的研究不多.

31P液相核磁共振(31P-NMR)是一種高靈敏,且不會破壞P種類的方法[8].目前使用31P-NMR技術(shù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種P形態(tài)的存在,包括膦酸酯,正磷酸鹽,磷酸單酯,磷酸二酯,焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽[8-9].基于31P-NMR的分析結(jié)果,能夠發(fā)現(xiàn)更多關(guān)于水中P循環(huán)的信息.首先,不同來源的OP組成存在顯著差異,如水體表層懸浮物與沉積物之間,以及不同深度的沉積物之間,各種類P在含量與存在比例之間都是不同的[10];其次,不同形態(tài)OP的降解特征存在差異,如磷酸二酯中RNA,磷脂穩(wěn)定性低,易被細菌等微生物分解為磷酸單酯[11],而磷酸單酯,磷酸二酯相對焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽穩(wěn)定,較難分解[12].雖然31P- NMR技術(shù)已經(jīng)應用超過20年,但目前國內(nèi)外多用于水體沉積物[13-15]的研究,少量用于水體懸浮顆粒物的研究也多集中在河流與海洋中[5,16],而國內(nèi)對大型淺水富營養(yǎng)化湖泊懸浮性顆粒物的相關(guān)研究尚不多見[13,16-17].

太湖作為我國第三大淡水湖,是一個典型的大型淺水湖泊[18],近年來水體嚴重富營養(yǎng)化,夏秋季節(jié)藍藻水華頻繁爆發(fā).本文通過31P- NMR方法檢測了太湖不同生態(tài)類型水體中PP的組分及其空間分布狀況,分析,磷酸酶活性(APA)和水體中可酶解磷(EHP)等的測定,計算了太湖各湖區(qū)水體中P的降解速率,探討了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異對水體POP種類,降解速率等的影響,以及POP對水體SRP再生的貢獻潛力等,以期為水華爆發(fā)機理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 樣點布置與水樣采集

特別是營養(yǎng)鹽分布[19-20]及水生植物生長狀況[21-22]的不同,選擇了4個生態(tài)類型湖區(qū)做為研究對象,共設置了12個采樣點,包括藻型湖區(qū)(1#,2#,3#),湖心區(qū)(4#,5#,6#),河口區(qū)(7#,8#,9#),草型湖區(qū)(10#,11#, 12#)(圖1).2014年11月,對太湖各湖區(qū)點位進行采樣,用3L有機玻璃采水器采集各樣點表層水樣(約水面下50cm)10L,至于預先經(jīng)酸及75％乙醇洗滌過的塑料桶內(nèi),運回太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站(TLLER)實驗室.在采樣現(xiàn)場用YSI測定表層水體水溫,pH值,濁度,溶解氧等指標,用塞式透明度盤測定水體透明度(SD).

1.2 測試參數(shù)及方法

1.2.1 水質(zhì)指標測試 葉綠素a(Chla),總磷(TP),總氮(TN),溶解性總磷(TDP),溶解性總氮(TDN),磷酸根(SRP)等指標參照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范(第二版)》[23]的方法,在實驗室測得.

1.2.2 顆粒物收集 (1)取8張whatman(GFF)濾膜,經(jīng)450℃灼燒后,將各點位采集來的水樣分別經(jīng)過濾盡可能多的水樣,分別記錄過濾體積.取6張膜在-50℃條件下凍干后,將膜剪碎,用于31P液相核磁共振的測定,取1張濾膜(過濾前稱重)在105℃經(jīng)4h烘干再稱重,然后經(jīng)550℃灼燒5h再稱重,分別測定固體懸浮顆粒(SS)和顆粒態(tài)有機質(zhì)(POM)含量[24],取1張濾膜用于顆粒物碳,氮的測定.(2)將1L水樣經(jīng)4℃條件下以4000r/min離心15min,收集離心管中的顆粒沉淀物,用滅菌的純凈水再懸浮并稀釋至原水濃度,得到顆粒物水樣,用于顆粒物APA,Km,Vmax,EHP等的測定.

1.2.3 顆粒態(tài)C、N、P含量(TPC,TPN,TPP)測試 TPC,TPN過濾在whatman(GFF,?47mm)膜上,用元素分析儀直接測定.TPP測定采用2張聚醚砜膜分別過濾25mL的水樣,取其中一張膜用氧化劑消解后紫外分光光度計比色測定即為顆粒態(tài)總磷(total particulate phosphorus,TPP);另外一張膜在1mol/L的鹽酸中浸泡24h,其間晃動4次以上,離心后測定PO43－濃度即為顆粒態(tài)無機磷(particulate inorganic phosphorus,PIP)[25],兩者相減即為顆粒態(tài)有機磷(particulate organic phosphorus,POP).

1.2.4 堿性磷酸酶活性(APA)及最大反應速率(max)測試 本實驗以硝基苯磷酸二鈉(p-NPP)為底物測定APA和max,取2mL原水或顆粒物稀釋水樣,加入1mL濃度為0.1mol/L的Tris(緩沖液,pH值為8.4左右),設置p-NPP為0~3mmol,取8個反應濃度,30℃溫度下避光培養(yǎng)6h,然后加入0.5mL濃度為0.1的NaOH終止反應進程,培養(yǎng)液經(jīng)5000r/min離心10min,測量410nm波長處吸光值,計算原水和顆粒水的APA[26],并利用米氏方程(Michaelis-Menten Equation)計算堿性磷酸酶最大反應速率max.

1.2.5 生物可利用性磷測試 本研究以可酶解磷做為水體生物可利用性磷的替代指標.取100mL水樣放入帶塞,滅菌的玻璃瓶中,加入1mL1mol/L Tris 緩沖溶液,5mL氯仿,30℃溫度下放置4d,每天搖勻兩次.比色法測定處理前后水體中PO43-的濃度差,即為水樣中EHP的含量[27].分別測出原水可酶解磷(TEHP)和顆粒物可酶解磷(PEHP).

1.2.631P液相核磁共振(31P-NMR)測試 顆粒物樣品采用0.25mol/L的NaOH和0.05mol/L的EDTA的混合試劑在常溫下恒溫震蕩16h提取顆粒態(tài)磷;為確保獲得足夠量的磷,一張濾膜上的顆粒物對應5mL提取液;提取后一部分提取液用于測定總磷,剩余部分經(jīng)-50℃冷凍干燥48h;濃縮的樣品上機測試前樣品儲存在-20℃環(huán)境下保存;上機測試前濃縮樣品加入加入0.5mL濃度為1mol/L的NaOH溶液,在10000r/min,-4℃條件下離心15min,以確保測試液中沒有懸浮顆粒物;每份樣品中加入0.1mL重水(氘代試劑),來鎖定峰場;磷譜的測定環(huán)境如下:采用BRUKER AV600型號, BRUKER標準腔5mm的BBO探頭,磷譜的脈沖為12.0usec,脈沖功率為3.0db,共振頻率202.46MHz.循環(huán)延遲為2s,掃描2萬次,持續(xù)時間大約16h.所有磷譜化學位移均參照85%的正磷酸,所獲得的峰值參照已發(fā)表文獻確定不同化學位移磷的組成[28-29],計算樣品中不同組分有機磷的含量.

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本實驗數(shù)據(jù)分析采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件,作圖使用origin 9.0軟件.

2 結(jié)果與討論

2.1 各生態(tài)型湖區(qū)水體及顆粒物基本化學性質(zhì)分布

太湖4種生態(tài)類型湖區(qū)水體水化學指標分布上差異較明顯(表1,圖2),其中4個湖區(qū)中TN, TDN呈極顯著差異(<0.001,Oneway ANOVA), TP,pH值呈顯著性差異(<0.05,).從水體營養(yǎng)鹽濃度來看,各湖區(qū)TN平均為1.93mg/L,空間分布上呈現(xiàn)河口區(qū)>湖心區(qū)>藻型區(qū)>草型區(qū)的趨勢;各湖區(qū)TP均值為0.25mg/L,分布趨勢與TN相同.河口區(qū)氮磷含量較高,且較2009年有明顯升高[30],說明太湖入湖河流輸入仍然十分嚴重,東部太湖的草型湖區(qū)水質(zhì)則最好,本實驗結(jié)果與現(xiàn)有研究一致[31].整體上Chla平均濃度為22.70ug/L,各湖區(qū)Chla濃度呈現(xiàn)出湖心區(qū)>藻型湖區(qū)>河口區(qū)>草型區(qū)的趨勢.夏季太湖藍藻水華爆發(fā)嚴重的藻型湖區(qū)Chla濃度均值僅為24.87mg/L,低于湖心區(qū),這說明藻型區(qū)秋季水華爆發(fā)已經(jīng)明顯減少.一般來講,太湖梅梁灣水華較湖心嚴重,但是本研究結(jié)果顯示在本次采樣中湖心區(qū)Chla濃度高于藻型湖區(qū),一方面可能與本實驗為秋季采樣,溫度已經(jīng)降至12℃左右,太湖水華總體上處于降解與消亡階段有關(guān);另一方面,湖心區(qū)Chla濃度最高,可能是藍藻水華上浮后隨風浪遷移的結(jié)果[32].

表2為4種生態(tài)類型湖區(qū)水體懸浮顆粒物營養(yǎng)鹽含量分布.太湖水體中顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽含量分布趨勢與水體營養(yǎng)鹽類似,SS,POM均呈現(xiàn)河口區(qū)>湖心區(qū)>藻型區(qū)>草型區(qū)的趨勢.太湖懸浮顆粒物有機質(zhì)含量比重(POM/SS)平均為32.36%,與張運林等[33]的研究結(jié)果(30%)相似,且呈現(xiàn)出藻型湖區(qū)(40.67%)>草型湖區(qū)(35.14%)>湖心區(qū)(29.33%)>河口區(qū)(24.30%)的趨勢.可見雖然河口區(qū)和湖心區(qū)顆粒物含量高,但是以陸源輸入或者沉積物再懸浮輸入的無機顆粒物為主,而藻型湖區(qū)和草型湖區(qū)顆粒物可能以藻源性的顆粒物為主,其有機質(zhì)要高于河口區(qū)和湖心區(qū),POP也呈現(xiàn)出相似的趨勢.以上結(jié)果說明,顆粒物的來源和生態(tài)系統(tǒng)差異可能對顆粒物性質(zhì)有顯著影響.

各湖區(qū)TPC含量在1.45~9.63mg/L之間,平均為6.04mg/L,不同生態(tài)類型湖區(qū)之間的濃度分布趨勢為湖心區(qū)>河口區(qū)>藻型區(qū)>草型區(qū).湖心區(qū)TPC濃度最高,可能由于湖心區(qū)受風浪擾動相對較劇烈,產(chǎn)生較多由沉積物再懸浮形成的懸浮性顆粒物[34]所導致.各湖區(qū)TPN在0.26~ 1.64mg/L之間,平均為0.75mg/L,平均占水體TN的44.07%,趨勢為藻型區(qū)>湖心區(qū)>河口區(qū)>草型區(qū)含量在0.02~0.24mg/L之間,平均為0.10mg/L,不同生態(tài)類型湖區(qū)之間的濃度分布趨勢為河口區(qū)>湖心區(qū)>藻型區(qū)>草型區(qū).河口區(qū)TPP變化范圍在0.10~0.24mg/L之間,含量為四類湖區(qū)最高,可能與河口區(qū)接納了較多的陸源性顆粒物有關(guān).從本實驗的研究結(jié)果來看,TPP/TP在49.67%~84.72%之間變化,平均為75.86%,水體中TPP是TP的主要組成部分.太湖TPP/TP空間分布趨勢為湖心區(qū)>河口區(qū)>草型區(qū)>藻型區(qū),湖心區(qū)最高,藻型區(qū)最低.以上空間分布可能由于湖心區(qū)風浪擾動引起的沉積物再懸浮量高導致,而河口區(qū)雖然顆粒物濃度均值最高,但是同時水體中溶解態(tài)磷濃度也較高,所以其TPP/TP低于湖心區(qū);藻型區(qū)則隨著藻類的消亡導致TPP逐漸轉(zhuǎn)化為SRP而減少.

表1 太湖各湖區(qū)水體基本理化指標 Table 1 Water quality indices of different zones in Taihu

2.2 各生態(tài)型湖區(qū)顆粒有機磷種類及分布特征

如圖3所示,經(jīng)31P-NMR檢測,本次實驗中所得P的信號帶在(25~-25)′10-6之間,與前人的研究結(jié)果相同[35].從圖3和表3可以看出,實驗中懸浮顆粒物樣品中測得的磷種類分別有膦酸酯(20′10-6),正磷酸鹽[(5~7)′10-6],磷酸單酯[(3~6)′10-6],磷酸二酯[(2.5~-1)′10-6],焦磷酸鹽[(-4~-5)′10-6]和多聚磷酸鹽(-20′10-6).整體來看,太湖PP所包含的各種磷組分中,正磷酸鹽含量最高,平均為50.99%,除正磷酸鹽被認為是無機磷外,其他組分一般認為是生源性的有機磷,由高到低依次為磷酸單酯33.02%,焦磷酸鹽10.68%,多聚磷酸鹽3.80%,磷酸二酯僅在藻型區(qū)和草型區(qū)發(fā)現(xiàn),平均為2.48%,膦酸酯僅在湖心區(qū)的5#,6#及河口區(qū)的8#發(fā)現(xiàn),平均為1.06%.其正磷酸鹽(48.2%)與焦磷酸鹽(10.3%)含量與太湖相近,同時含有較高的磷酸二酯(15.2%)與較低的多聚磷酸鹽(0.6%),只是未檢測出膦酸酯[13].其POP組分種類和各組分含量與太湖相似,說明淺水型富營養(yǎng)化湖泊在POP的種類組成和含量上具有一定相似度,但其與富營養(yǎng)化狀態(tài)的關(guān)系還有待于深入研究.

太湖不同湖區(qū)之間有機磷種類與含量存在著明顯差異.顆粒物正磷酸鹽是顆粒態(tài)磷中含量最高的組分,平均含量為50.99%,空間分布趨勢為河口區(qū)(82.57%)>草型區(qū)(49.37%)>湖心區(qū)(36.05%)>藻型區(qū)(35.98%).外源輸入可能是造成河口區(qū)水體顆粒物正磷酸鹽含量比例高的重要原因.現(xiàn)有研究顯示,人造湖體和受人為影響較大的河流中,其沉積物中正磷酸鹽含量較高,如太湖流域滆湖為74%~82%,北京城市人工湖為67.5%~88.6%[36];在水體懸浮顆粒物中也超過71%[15-16];而對于人為干擾少,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的湖泊與海洋中,其含量在30%~60%之間[10,14],河口區(qū)突出的環(huán)境特征是受外源輸入影響顯著,太湖流域地處經(jīng)濟發(fā)達的長三角地區(qū),湖泊水體受到人類活動的強烈干擾,而入湖河流又是人類活動影響湖泊環(huán)境最劇烈的區(qū)域,因此正磷酸鹽含量較高.

磷酸單酯在懸浮顆粒物有機磷中含量最高,平均為33.02%,分布趨勢為湖心區(qū)(40.36%)>草型區(qū)(39.61%)>藻型區(qū)(39.11%)>河口區(qū)(12.99%).此外如Bai等[37]發(fā)現(xiàn)太湖沉積物中正磷酸單酯含量為37.70%,美國Menterey bay為26%~ 31%[10],均為最高的有機磷組分.原因可能是:一方面,磷酸單酯穩(wěn)定性較磷酸二酯,焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽等有機磷高[12];另一方面,由于磷酸二酯不穩(wěn)定,在樣品運保存或提取的過程中,部分RNA和卵磷脂會水解為磷酸單酯[11,29],因而導致了磷酸單酯的含量升高.由于磷酸單酯含量較高,當環(huán)境中出現(xiàn)P供給不足時,磷酸單酯會在磷酸單酯酶如堿性磷酸酶的作用下礦化降解成SRP,這一過程可能是水體磷循環(huán)再生的最重要調(diào)控環(huán)節(jié)[38].

太湖水體懸浮顆粒物磷酸二酯含量較低,本次實驗僅在藻型區(qū)和草型區(qū)檢出,兩種類型湖區(qū)的含量百分比分別為1.57%和3.39%.現(xiàn)有研究顯示,水體或者沉積物中的正磷酸二酯主要包括DNA,RNA和磷脂等,通過磷酸化降解過程可能產(chǎn)生正磷酸單酯,包括核苷酸,纖維糖類等[10,28].從來源上看,磷酸二酯可能由大型水草,藻類以及細菌產(chǎn)生,也可能由外源排放所致[39].磷酸二酯穩(wěn)定性較差,在好氧環(huán)境下容易被細菌和酶礦化,有研究顯示,幾乎所有的RNA與部分磷脂會降解為正磷酸單酯[11],所以磷酸二酯是水體中正磷酸鹽的重要來源[40].太湖為典型的淺水湖泊,受風浪擾動等影響較為頻繁,水體含氧量一般較高,顆粒物磷酸二酯在高溶氧的環(huán)境中可能會被迅速降解,這可能是太湖磷酸二酯含量低的主要原因.

表3 各湖區(qū)點位顆粒物磷種類組成及含量(%) Table 3 Phosphorus species and ratios determined by31P-NMR spectroscopy(%)

注:n.d.表示未檢測出.

表4 顆粒磷組分與主要參數(shù)相關(guān)性分析 Table 4 Correlation analysis of particulate P and main parameters

注:**表示<0.01,*表示<0.05,=12.

顆粒物焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽二者平均含量分別為10.68%和3.80%,且空間分布類似.其中焦磷酸鹽含量趨勢為藻型區(qū)(17.86%)>湖心區(qū)(14.65%)>草型區(qū)(6.34%)>河口區(qū)(3.84%),多聚磷酸鹽含量趨勢為湖心區(qū)(7.92%)>藻型區(qū)(5.48%)>草型區(qū)(1.24%)>河口區(qū)(0.56%).焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽是生物代謝的重要產(chǎn)物,在水體中活性高,易直接被浮游植物及細菌等生物體利用[41],雖然濃度并不高,卻可能是藻類爆發(fā)的重要影響因子.兩者一共占水體顆粒有機磷的27.90%,其中藻型湖區(qū)和湖心區(qū)含量最高,約為35.21%.相關(guān)性分析顯示,顆粒物焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽與水體Chla濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表4),說明太湖顆粒態(tài)焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽可能多存在于藻細胞或者其殘體內(nèi).有相關(guān)研究也顯示,多聚磷酸鹽多存在浮游植物及細菌體內(nèi)[42],這與本實驗研究結(jié)果一致.另外有研究顯示,焦磷酸鹽通過工業(yè)廢水,生活污水和化肥徑流等方式排入水體[43],這與本研究結(jié)果存在明顯差異.本研究中受人為活動影響最大的應該是河口區(qū),但是其焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽含量最低;而含量最高的藻型湖區(qū)和湖心區(qū)顆粒物多為生源性顆粒物及其降解產(chǎn)物,外源輸入的影響低于河口區(qū),這說明太湖水體顆粒態(tài)焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽受人類活動影響較小.

太湖各生態(tài)類型湖區(qū)點位膦酸酯含量都很低,本實驗樣品僅有湖心區(qū)5#,6#和河口區(qū)10#有檢出,其中湖心區(qū)5#,6#含量不足顆粒磷的1.6%,河口區(qū)10#含量則不足0.1%,而Chenjing[15], Joakim等[44]均未在沉積物中發(fā)現(xiàn)膦酸酯.一方面,膦酸酯可能是在較長時間的好氧環(huán)境下,由藍藻和原生生物的代謝產(chǎn)物形成[11,13];另一方面,也可能由農(nóng)業(yè)引起的面源污染而導致增加[45].相比磷酸單酯和正磷酸鹽而言,通常膦酸酯含量較低,傳統(tǒng)觀點認為其在化學結(jié)構(gòu)上有直接連接的C-P鍵,化學性質(zhì)較穩(wěn)定[46],參與水體磷循環(huán)的程度小.但是,現(xiàn)在也有研究表明藻類也可以對其進行利用[47-48].總體上來講,太湖膦酸酯濃度極低,參與水體P循環(huán)的程度極小.

2.3 各生態(tài)型湖區(qū)顆粒磷的降解特征

圖4為太湖各湖區(qū)水體和顆粒物APA,顆粒物堿性磷酸酶最大反應速率(max).原水APA平均為1.87mmol/(L·h),分布趨勢為草型區(qū)>藻型區(qū)>河口區(qū)>湖心區(qū),但是不同湖區(qū)間差異不顯著.路娜等[49]對太湖初春(4月)酶活情況做了研究,結(jié)果表明太湖整體APA平均不足0.88mmol/(L·h),整體低于本次研究,且分布趨勢為河口區(qū)>湖心區(qū)>草型區(qū)>藻型區(qū),與本研究不同,一方面可能與季節(jié)有關(guān),4月份溫度也處于較低水平,藻類還未大量生長,而11月雖然溫度較低,但是殘存藻類依然保持一定的生物量,從而提升了水體APA;另一方面,本次實驗結(jié)果顯示,河口區(qū)SRP濃度最高,這也可能是導致河口區(qū)APA低的重要原因.太湖顆粒APA平均為1.41mmol/(L·h),占原水APA的75.41%,其中河口區(qū)顆粒APA最高,均值為mmol/(L·h),草型區(qū)最低,均值為mmol/(L·h),分布趨勢為河口區(qū)>藻型區(qū)>湖心區(qū)>草型區(qū).

顆粒物max分布與顆粒APA分布相同,也為河口區(qū)最高,為1.mmol/(L·h),草型區(qū)最低,為1.46mmol/(L·h).一般認為,水體堿性磷酸酶是一種磷酸根誘導酶,當水體磷酸根濃度低時,會誘導微生物分泌釋放堿性磷酸酶,提高水體有機磷的降解速率,有研究顯示,當太湖水體中SRP< 0.02mg/L時,將會明顯促進堿性磷酸酶活性的增加[50],而當水體磷酸根過高時則會抑制堿性磷酸酶活性.但是影響水體堿性磷酸酶活性的因素是十分復雜的,如有研究顯示正磷酸鹽濃度高達0.32mg/L時也未表現(xiàn)出對APA的抑制[51].本研究結(jié)果還顯示,顆粒APA分布趨勢與原水APA分布趨勢并不一致,說明不同湖區(qū)間堿性磷酸酶的來源可能存在差異,從而導致其反應動力學特征的不同[52].

圖5為各采樣點位水體EHP和顆粒態(tài)EHP濃度及降解時間.實驗結(jié)果顯示,各湖區(qū)PEHP含量平均為0.04mg/L,分布趨勢為河口區(qū)>湖心區(qū)>藻型區(qū)>草型區(qū),其中河口區(qū)為0.05mg/L,草型湖區(qū)為0.01mg/L.占PP總量的37.30％,占TEHP的65.16%,說明顆粒物是水體生物可利用性P的重要來源.各湖區(qū)PEHP/TEHP最高為藻型區(qū)(75.27%),最低為草型區(qū)(50.27%),說明藻型湖區(qū)顆粒物的生物可利用性最高,草型湖區(qū)最低.藻型湖區(qū)顆粒物以藻源性顆粒物為主,草型湖區(qū)以植物碎屑為主,說明藻源性顆粒物生物可利用性明顯高于植物碎屑.PEHP與顆粒物正磷酸鹽含量呈顯著正相關(guān)(=0.581,<0.05),與磷酸單酯呈極顯著負相關(guān)(=-0.761,<0.01),說明顆粒物正磷酸鹽可能是顆粒物生物可利用性磷的重要來源,而磷酸單酯的生物可利用性較低.但是,31P-NMR測試結(jié)果顯示磷酸單酯是顆粒有機磷的最重要組成部分,可見堿性磷酸酶在研究磷酸單酯降解乃至水體顆粒有機物降解中發(fā)揮著著十分重要的作用.

PEHP降解時間為13.8~113.3min,平均降解時間為47.3min,各湖區(qū)之間PEHP降解時間趨勢為河口區(qū)>湖心區(qū)>藻型區(qū)>草型區(qū),河口區(qū)降解時間最長,為69.6min,草型湖區(qū)降解時間最快,為15.4min.可能由于河口區(qū)顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽濃度較高,PEHP濃度較高,導致PEHP降解時間較長;而草型區(qū)PEHP濃度較低,但是全湖的APA差別不大,導致其PEHP降解較快.以上結(jié)果說明,在太湖這樣的富營養(yǎng)化淺水湖泊中,顆粒物APA較高,生物可利用性較高,顆粒物潛在釋放SRP的能力較大,POP可以通過水體酶系統(tǒng)或者微生物等作用快速降解,從而在藍藻生長和水華爆發(fā)過程中迅速補充水體SRP虧空.

3 結(jié)論

3.1 太湖不同生態(tài)類型湖區(qū)間水體顆粒物基本化學性質(zhì)差異明顯,顆粒P含量呈現(xiàn)河口區(qū)>湖心區(qū)>藻型區(qū)>草型區(qū)趨勢,顆粒P平均占水體TP濃度的75.86%.顆粒物有機質(zhì)含量,營養(yǎng)物含量等受生態(tài)系統(tǒng)影響顯著.

3.231P-NMR檢測顯示太湖水體顆粒物P共6種:膦酸酯,正磷酸鹽,磷酸單酯,磷酸二酯,焦磷酸鹽以及多聚磷酸鹽.各湖區(qū)顆粒物中,正磷酸鹽含量最高,占總檢出P的50.99%;有機磷中磷酸單酯的含量最高,占總檢出P的33.05%.不同生態(tài)系統(tǒng)間顆粒磷種類組成存在顯著差異,受人類活動影響明顯的河口區(qū)顆粒物磷酸鹽含量較高,顆粒物藻源性特征明顯的區(qū)域,顆粒物焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽含量較高.

3.3 太湖水體顆粒態(tài)APA較高,均值為1.41umol/(L·h),其中河口區(qū)最高,草型區(qū)最低.顆粒態(tài)EHP含量平均為0.04mg/L,降解速率平均為47.3min,快于水體EHP的降解速率,且平均顆粒態(tài)EHP占顆粒P總量的37.30％,占水體EHP的65.16%,說明顆粒P是水體SRP補充的重要來源.

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致謝：本實驗的采樣和測試工作由中國科學院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站和薛靜琛實驗員協(xié)助完成,在此表示感謝.

* 責任作者, 助理研究員, cjy@nies.org

The spatial distribution and degradation characteristic of phosphorus in suspended particulate matter among different ecological types in Taihu

ZHANG Yi-min1,2, WANG Yu1, YANG Fei2, HE Dong2, CHEN Tong1, DING Yi-rui1, CHAO Jian-ying2*

(1.School of Environmental and Safety Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China；2.Nanjing Institute of Environmental Science, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China)., 2016,36(7)：2128~2138

The contents of particulate matter, composition of organic phosphorus and the degradation characteristics of the water particulates in different ecological types in Lake Taihu were analyzed. The properties of particulate phosphorus and their impact on the water phosphorus cycle of eutrophic lake were researched. The particulate P is 75.86% of TP concentration,in Taihu. and the differences were obvious. Particulate matter content of the estuary zone andwas higher than that of the algae type zone and the grass type zone, but particulate organic matter ratio of the latter two was higher than that of the formers.The P species composition of water particulate in different lake area by using31P nuclear magnetic resonance method(31P-NMR) showed that the composition of particulate organic phosphorus includes 6kinds, including phosphonates, orthophosphate, orthophosphate monoesters, orthophosphate diester, pyrophosphate and polyphosphate. The content was respectively 1.06%, 50.99%, 33.02%, 2.48%, 10.68% and 3.80%.31P-NMR results show that the distribution of particulate phosphorus between different ecological types is obvious. The content of orthophosphate in the estuary zone was 82.57%, the highest. The algae type zone and the central zone were with higher Chla concentration and the highest particle organic phosphorus ratio meanwhile, respectively reached 64.02% and 63.95%, indicating that different types of ecological system had significant impacts on particulate phosphorus group. The concentration of pyrophosphate and polyphosphate was significantly correlated with the concentration of Chla (<0.05;<0.01). Particulate enzymatically hydrolysable phosphorus (PEHP) was significantly correlated to the orthophosphate (<0.05), which indicated that the particles was the important sources of biogentic phosphorus in Taihu. The mean degradation time of PEHP in Taihu was 47.23min, which was 65.16% of enzymatically hydrolysable phosphorus (EHP), indicating that particulate P is an important source of soluble reactive P(SRP).

Taihu；particulate mater；organic phosphorus；31P-NMR；degradation rate

X524

A

1000-6923(2016)07-2128-11

王 宇(1990-),男,江蘇豐縣人,常州大學碩士研究生,主要從事湖泊水生態(tài)研究.

2015-12-09

國家自然科學基金項目(41301556);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101-007,2012ZX07101-011)