水華微囊藻衰亡后營養(yǎng)鹽釋放過程研究

高磊

摘要：在構建的水-沉積物系統(tǒng)中加入死亡的水華微囊藻細胞（烘箱中殺死），研究其衰亡后營養(yǎng)鹽的釋放過程及遷移轉化規(guī)律。結果表明：（1）實驗期間，微囊藻碎屑迅速分解釋放，上覆水中DO和沉積物中氧化還原電位迅速降低;（2）實驗初期上覆水中TN、NH4+-N、NO3--N大幅上升，第4d達到最高水平，分別升高了16.6、13.3、6.4倍;第4d以后TN、NO3--N逐漸降低，主要由于厭氧反硝化作用、向間隙水中遷移及NO3-向NH4+轉化，NH4+-N平穩(wěn)緩慢增加，后期N主要以NH4+的形式存在;（3）由于藻體分解，上覆水中TP、DTP、SRP、DOP的增加較快，第1d即達到較高水平，分別為初始值的4.10、5.29、4.86、8.33倍;（4）沉積物間隙水中TN、NH4+-N增幅較大，NO3--N次之，且NH4+-N持續(xù)升高，間隙水中N的形態(tài)也主要以NH4+的形式存在，整個實驗階段間隙水中TP、DTP、SRP一直有所升高，DOP先升高后降低;（5）沉積物成為微囊藻衰亡階段營養(yǎng)鹽釋放的“匯”。

關鍵詞：水華微囊藻;衰亡;營養(yǎng)鹽;釋放

Abstract：By adding decomposed Microcystis flos-aquae（killed in the oven） in the water-sediment system，nutrient release and transformation regulation was studied. The results suggested that：（1）The Microcystis fragment in experimental group quickly decomposed，the DO in overlying water and the Oxidation-Reduction Potential in the sediment reduced quickly. （2）TN，[NH+4]-N and NO3--N in the overlying water rose sharply，reaching the peak levels after the fourth day experiment，i.e. increasing by 16.6，13.3，and 6.4 times. Then，TN，[NO-3]-N were gradually fell due to the anoxic denitrification，the removal to interstitial water and [NO-3] transformation to [NH+4]，but the [NH+4]-N increased slowly and it was the main form in the overlying water.（3）TP，DTP，SRP，DOP increased quickly in overlying water due to the Microcystis decomposing in the experimental group，reaching a higher level after the first day test，increasing by 4.10，5.29，4.86 and 8.33 times .（4）TN and [NH+4]-N increased more than the [NO-3]-N in the interstitial water，and [NH+4]-N is the mainly form of the nitrogen in the interstitial water owing to [NH+4]-N continuous rising. TP，DTP and SRP increased all the way throughout the experiment，and the DOP rose first，then declined.（5）Sediments were the nutrient release sink during the decay of Microcystis flos-aquae.

Key words：Microcystis flos-aquae;Decay;Nutrient;Release

近年來，水華微囊藻的大規(guī)模暴發(fā)，雖然可以快速繁殖吸收湖泊水體中的氮、磷等富營養(yǎng)化物質，但暴發(fā)后大量的有機體死亡分解又會導致水體富營養(yǎng)化水平升高，造成湖泊內(nèi)源污染[1]。水華微囊藻暴發(fā)后在流泥分布、風場、氣溫、水位水動力作用下，在沿岸堆積沉降、死亡腐爛分解，造成營養(yǎng)鹽釋放、水體缺氧及發(fā)黑發(fā)臭的“湖泛”效應[2，3]，使得局部水體中的營養(yǎng)鹽水平迅速提升，影響水質，造成二次污染，并對聚集區(qū)沿岸帶水域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的影響[4-6]。這些藻類死亡分解產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽包括有機態(tài)、顆粒態(tài)、溶解態(tài)等[7]，將通過遷移、微生物作用轉化等進入到間隙水及沉積物中，從而重新進入湖泊的物質循環(huán)圈[8-10]。

雖然目前對于藻類堆積腐爛分解實驗的研究較多，但其營養(yǎng)鹽釋放的研究多集中于總氮、總磷和有機質的釋放量和釋放速率方面[11，12]，對于氮磷營養(yǎng)鹽形態(tài)變化的研究較少，藍藻在腐爛過程中釋放的氮磷營養(yǎng)鹽以不同的形態(tài)進入水體，在一定條件下可進一步發(fā)生遷移轉化，同時，對于藍藻腐爛的研究多偏于上覆水體質量變化，忽略了湖泊沉積物的影響。沉積物在富營養(yǎng)化湖泊中，扮演著“匯”與“源”的角色[13]，藻類腐爛釋放的營養(yǎng)鹽不僅可以進入沉積物間隙水中，腐爛分解的殘體有機質可以沉降、吸附在沉積物表層，從而使得沉積物成為湖泊內(nèi)源污染的“匯”，而藻類死亡分解造成的底部缺氧環(huán)境使硝化作用減弱，反硝化作用加強，沉積物中的微生物可以降解礦化這些污染物，轉化營養(yǎng)鹽氮、磷等物質為無機態(tài)向上覆水體釋放，從而為水華藍藻的再次暴發(fā)提供了“源”。

因此，本實驗在構建的水-沉積物系統(tǒng)中，加入死亡的水華微囊藻（烘箱中殺死），研究其衰亡腐爛釋放的不同形態(tài)營養(yǎng)鹽在水、沉積物中的動態(tài)變化及在水-沉積物界面的遷移轉化過程，以期對湖泊內(nèi)源污染狀況進行較深入探討。

1 材料與方法

1.1 實驗材料 2018年9月，在永幸河微囊藻暴發(fā)區(qū)域，用64#浮游生物網(wǎng)撈取水華微囊藻藻漿。將藻漿于水桶中靜置分層，用蒸餾水洗滌干凈，選取上層藻漿于烘箱中，60℃烘干，碾磨成碎屑過篩后待用。采集原位上覆水過64#篩網(wǎng)去除懸浮物和浮游生物備用，用邁克遜采泥器采集表層0～10cm的沉積物，攪拌至均勻，經(jīng)孔徑2mm的金屬篩子過濾去除腐葉和大顆粒物等雜質。

1.2 實驗設計 實驗準備24個聚乙烯圓柱體（長30cm，直徑15cm），一端封堵，設置6組，每組4個，1個對照、3個平行樣。圓柱體內(nèi)添加10cm深經(jīng)金屬篩過濾后的底泥沉積物，沉積物上層添加2L原位上覆水，待沉積物及上覆水穩(wěn)定后，測定上覆水及沉積物間隙水背景值，測定指標為上覆水中pH、溶解氧（DO）、沉積物氧化還原電位Eh、上覆水與間隙水中的總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、總磷（TP）、可溶性總磷（DTP）、可溶性磷（SRP）、溶解性有機磷（DOP）。而后向實驗組平行樣中添加2g水華微囊藻碎屑，在實驗第1、4、7、10、15d對實驗組上述數(shù)據(jù)進行測定，實驗用水初始指標如表1。

1.3 測定方法 上覆水中pH采用酸堿測定儀（上海佑科，pHS-3C）進行測定，溶解氧采用上海雷磁（JPB-607A）測定、Eh采用上海雷磁（JPB-607A、ORP復合電極）測定。上覆水經(jīng)過濾后進行測定，用注射器改裝成的微型柱狀采樣器采集表層0～5cm的沉積物，經(jīng)離心（3000r·min-1，10min）獲得間隙水測定。分別測定其總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（[NO-3]-N）、總磷（TP）、可溶性總磷（DTP）、可溶性磷（SRP）、溶解性有機磷（DOP），測定方法依次為：總氮：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法;氨氮：納氏試劑分光光度法;硝酸鹽氮：紫外分光光度法[14];總磷：過硫酸鉀消解后鉬銻抗分光光度法測定;可溶性總磷：水樣過濾后過硫酸鉀消解，鉬銻抗分光光度法測定;可溶性磷：水樣過濾后鉬銻抗分光光度法測定;溶解性有機磷;可溶性總磷與可溶性磷含量之差[15]。

2 結果與分析

2.1 上覆水中pH的變化 經(jīng)測定實驗組和對照組上覆水中pH均保持在7.25～7.68之間，沒有顯著差異，呈現(xiàn)為中性，微囊藻碎屑腐爛對水體pH值貢獻不大。

2.2 上覆水中DO的變化 圖1為微囊藻碎屑腐爛分解后上覆水體中DO含量變化。從圖1可以看出，對照組中DO一直保持在4.30～5.10mg/L的穩(wěn)定狀態(tài)。而實驗組微囊藻腐爛分解后上覆水體中DO呈現(xiàn)明顯下降，第1d即從4.80mg/L下降至0.54mg/L，此后一直保持在0.33mg/L以下，呈明顯缺氧狀態(tài)。其原因可能主要為：一方面，微囊藻碎屑進行分解，上覆水體及沉積物表面的微生物活動加劇，迅速消耗水體中的溶解氧;另一方面，在藻類分解過程中，上覆水體上層表面形成一層白色的粘著性隔膜，阻斷了空氣中氧氣的溶解[15]。

2.3 上覆水中氮的變化

2.3.1 上覆水各形態(tài)氮的含量 圖2為微囊藻腐爛上覆水各形態(tài)氮含量的變化。由圖2可以看出，實驗組添加微囊藻碎屑后微囊藻迅速分解釋放，上覆水中TN、[NH+4]-N、[NO-3]-N第1d即大幅上升，分別從3.05、1.58、1.07mg/L升高至30.50、4.17、4.79mg/L，分別升高了10.0、2.63、4.48倍。實驗進行到第4d各形態(tài)氮含量均達到最高水平，TN、[NH+4]-N、[NO-3]-N含量分別為50.75、21.11、6.85mg/L，相對初始值分別升高了16.6、13.3、6.4倍。第4d以后TN、[NO-3]-N表現(xiàn)為逐漸下降趨勢，而[NH+4]-N則平穩(wěn)并略有增加。對照組從實驗開始至結束上覆水中TN、[NH+4]-N、[NO-3]-N均表現(xiàn)為緩慢增加趨勢。

造成上述現(xiàn)象的主要原因為富藻水體中氮主要存在于藻體中[16]，實驗開始微囊藻碎屑腐爛分解釋放大量營養(yǎng)鹽使水體各形態(tài)氮含量迅速升高，而第0～1dTN及[NO-3]-N較NH4+-N增加較快。由于微囊藻腐爛分解首先以顆粒態(tài)、有機氮形式分解釋放進入水體，而后在水體微生物的作用下逐漸發(fā)生礦化作用轉化為銨鹽[17]及前期有氧條件下硝化為硝酸鹽[1，18]，第1d以后[NH+4]-N迅速增加，水體中其余形態(tài)氮逐漸轉化為比較穩(wěn)定的銨鹽形式存在。第4d以后上覆水TN、[NO-3]-N降低主要原因可能有3方面：（1）微囊藻腐爛釋放首先造成上覆水體中氮的含量迅速升高，雖前期即造成上覆水濃度高于間隙水，氮開始向間隙水中遷移，但微囊藻腐爛營養(yǎng)鹽釋放速率大于其向間隙水遷移速率，第4d以后上覆水營養(yǎng)鹽釋放減慢，上覆水與間隙水形成較高濃度差，上覆水營養(yǎng)鹽繼續(xù)向間隙水遷移表現(xiàn)為上覆水TN及[NO-3]-N含量開始下降;（2）微囊藻腐爛后期造成水體形成一種缺氧環(huán)境，微生物細菌反硝化作用增強以N2或N2O的形式釋放到大氣中[1，19];（3）在缺氧環(huán)境中難以發(fā)生硝化作用，同時氮難以以[NO-3]-N的形式存在，各有機氮、[NO-3]-N等在缺氧環(huán)境中逐漸轉化為[NH+4]-N，主要以[NH+4]的形式存在[1，11]。

2.3.2 上覆水[NH+4]-N、[NO-3]-N占TN百分比的變化 圖3反映了不同階段上覆水中NH4+-N、[NO-3]-N含量在TN中所占的比例變化，第0～1d [NH+4]-N、[NO-3]-N所占比例均呈現(xiàn)下降趨勢，微囊藻腐爛初期主要以有機氮的形式進行釋放，隨后有機氮轉化為無機氮，[NH+4]-N所占比例逐漸升高，而由于[NO-3]轉化為[NH+4]及反硝化作用的發(fā)生，[NO-3]-N所占比例基本穩(wěn)定，上覆水體中氮主要以[NH+4]的形式存在。

2.4 上覆水中磷的變化

2.4.1 上覆水中磷的含量 圖4為微囊藻腐爛上覆水各形態(tài)磷的變化。從圖可以看出實驗組微囊藻腐爛分解后上覆水體中TP、DTP、SRP、DOP的釋放較快，第1d即達到較高水平，分別從0.42、0.24L、0.21、0.03mg/L升至1.72、1.27、1.02、0.25mg/L，分別為初始值的4.10、5.29、4.86、8.33倍，對照氮的釋放可以看出，微囊藻衰亡磷的釋放較氮的釋放快。第1～4d TP、DOP保持平穩(wěn)，DTP、SRP有所上升，第4d以后TP、DTP、SRP均表現(xiàn)為緩慢下降趨勢，而DOP則表現(xiàn)為逐步升高后期有所下降。由于藻類腐爛后主要以溶解性有機磷的形式進入水體，并進行礦化轉化為無機磷形態(tài)進行釋放[15]。對照組實驗上覆水中各形態(tài)磷表現(xiàn)穩(wěn)定有所上升，主要由于沉積物間隙水向上覆水釋放導致。

2.4.2 上覆水SRP、DOP占DTP的百分比 由圖5可以看出，SRP占DTP百分比在試驗期間表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢，DOP占DTP百分比則表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，因此微囊藻腐爛后首先以溶解性有機磷的形式進入水體，造成上覆水DOP含量的升高，后期溶解性有機磷逐漸轉換為無機磷，造成后期SRP百分比的升高。

2.5 沉積物中Eh的變化 由圖6可以看出，對照組沉積物中氧化還原電位Eh雖然有緩慢下降但一直處于-150mV以上，其緩慢下降主要由于沉積物底泥生物呼吸作用耗氧所致。而實驗組第1d即從-110mV降至-210mV，至實驗結束降至-261mV，微囊藻腐爛后造成水體嚴重缺氧狀態(tài)，沉積物底泥表現(xiàn)為嚴重的強還原狀態(tài)。這種強還原狀態(tài)更有利于反硝化細菌的活動，實驗后期上覆水中氮經(jīng)反硝化作用以N2的形式回到大氣中[1，19]，此為上覆水中TN含量降低的原因之一。

2.6 間隙水中氮的變化

2.6.1 間隙水各形態(tài)氮的含量 圖7為沉積物間隙水中各形態(tài)氮含量的變化?？梢钥闯?，實驗組添加微囊藻碎屑后與上覆水各形態(tài)氮含量變化有所差別。上覆水中TN、[NO-3]-N表現(xiàn)為第1～4d迅速升高，第4d以后又表現(xiàn)為下降。而間隙水中TN、[NO-3]-N第1～4d逐漸升高，第4d以后上覆水與間隙水中TN、[NO-3]-N變化差異顯著，第4～7d仍表現(xiàn)為升高趨勢，實驗至第7d其濃度分別從初始值的8.80、2.83mg/L升高至38.28、4.11mg/L，分別增加了4.35與1.45倍，其增高趨勢明顯低于上覆水，第7d以后TN與[NO-3]-N則表現(xiàn)平穩(wěn)。間隙水中[NH+4]-N與上覆水中變化有所差別，表現(xiàn)為整個試驗階段持續(xù)升高的趨勢，至實驗結束其濃度從5.02mg/L升高至19.72mg/L，增高了3.93倍。對照組中間隙水TN與[NH+4]-N略有下降，而[NO-3]-N降低較為明顯，由此推斷對照組氮主要以[NO-3]-N的形式向上覆水中釋放遷移。

間隙水中TN、[NH+4]-N增幅較大，[NO-3]-N次之，且NH4+-N持續(xù)升高，沉積物間隙水中氮主要以銨鹽的形式存在，藻細胞內(nèi)的有機氮在微生物參與下發(fā)生氨化作用，轉化為硝酸鹽，在沉積物表面形成的缺氧環(huán)境中微生物吸收利用硝酸鹽作為氮源，發(fā)生同化性硝酸還原作用：[NO-3]→[NH+4][1，20]。有機氮逐漸向[NO-3]-N、[NH+4]-N轉化，同時在缺氧條件下反硝化作用加強，微生物[NO-3]為呼吸作用的最終電子受體，把硝酸還原成氮（N2），發(fā)生反硝化脫氮作用，但此過程并未導致間隙水體中硝酸鹽含量的降低，可能主要因為微生物發(fā)生礦化作用微囊藻腐爛釋放的有機氮轉化為硝酸鹽及上覆水中高濃度硝酸鹽的遷移擴散補充。上述結果表明高濃度微囊藻分解腐爛后釋放的高濃度營養(yǎng)鹽向間隙水中遷移，間隙水成為其營養(yǎng)鹽的“匯”，其形成的底泥底部厭氧環(huán)境在腐爛分解的短時期內(nèi)并未造成沉積物氮磷的釋放。

2.6.2 間隙水[NH+4]-N、[NO-3]-N占TN的百分比 圖8間隙水中[NH+4]-N、[NO-3]-N占TN百分比的變化，[NH+4]-N前期變化不明顯，中期有所降低而后期又逐漸升高，[NO-3]-N整個實驗期間一直表現(xiàn)為降低趨勢?？赡苤饕驗槲⒛以甯癄€造成極度缺氧環(huán)境，[NO-3]-N首先發(fā)生厭氧反硝化作用，隨著微囊藻腐爛有機形式氮逐漸從高濃度上覆水向間隙水中遷移，造成[NH+4]-N、[NO-3]-N比例逐漸降低，后期隨著反硝化作用、有機氮向無機氮的轉化及[NO-3]轉化為[NH+4]，造成[NO-3]-N持續(xù)降低而[NH+4]-N又有所升高。

2.7 間隙水中磷的變化

2.7.1 間隙水中磷的含量 實驗組間隙水中TP、DTP、SRP整個實驗階段一直有所升高，后期表現(xiàn)穩(wěn)定，DOP先增高后期有所降低，主要因為微囊藻腐爛及部分殘體沉降以溶解性有機磷的形式進入沉積物，在微生物作用下逐漸轉化為無機磷[21]。而對照組由于沉積物間隙水向上覆水中的遷移而均逐漸降低。

2.7.2 間隙水SRP、DOP占DTP的百分比 由圖10可以看出間隙水中DOP所占DTP比例明顯高于上覆水中，并先升高后降低。一方面由于沉積物的存在，其間隙水中DOP的含量高于間隙水，另一方面微囊藻釋放的溶解性有機磷除向上覆水中釋放外向間隙水中遷移，同時微囊藻碎屑殘體沉降至沉積物表面造成間隙水DOP含量的升高，而后期由于殘體微生物的分解轉化為無機磷而有所降低，但較上覆水中并不明顯[21，22]，同時SRP所占比例變化也并不明顯。

3 結論

（1）水華微囊藻衰亡分解后，上覆水中DO迅速降低，之后一直保持較低水平;沉積物中氧化還原電位實驗期間逐漸降低，一直處于強缺氧還原狀態(tài)。

（2）微囊藻碎屑迅速分解釋放，實驗初期上覆水中TN、NH4+-N、NO3--N大幅上升，第4d達到最高水平，分別升高了16.6、13.3、6.4倍;第4d以后TN、NO3--N逐漸降低，主要因為厭氧反硝化作用、向間隙水中遷移及NO3-向NH4+的轉化;NH4+-N平穩(wěn)緩慢增加，后期主要以銨鹽的形式存在;上覆水中TP、DTP、SRP、DOP的釋放較氮快，第1d即達到較高水平，分別為初始值的4.10、5.29、4.86、8.33倍，藻類衰亡后先以溶解性有機磷的形式進入水體，并礦化轉化以無機磷形態(tài)進行釋放。

（3）沉積物間隙水中TN、NH4+-N增幅較大，NO3--N次之，且NH4+-N持續(xù)升高，間隙水中N的形態(tài)也主要以銨鹽的形式存在;整個實驗階段間隙水中TP、DTP、SRP一直有所升高，DOP先升高后降低，微囊藻衰亡腐爛階段，高濃度營養(yǎng)鹽的釋放未造成沉積物營養(yǎng)鹽向間隙水遷移釋放，而是逐漸升高成為湖泊內(nèi)源污染營養(yǎng)鹽的“匯”。

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（責編：王慧晴）