藍(lán)藻降解過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放特征分析

李國(guó)蓮，袁志偉，朱曙光，謝發(fā)之

（安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

近年來(lái)，湖泊外源營(yíng)養(yǎng)鹽輸入得到一定的控制，但湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化仍未能有效改善[1]。有研究表明，正磷酸鹽可被藻類(lèi)和細(xì)菌直接利用，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化[2]，破壞水生生態(tài)系統(tǒng)平衡。藍(lán)藻的累積及其磷、氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放是水質(zhì)惡化的主要原因[3]，在控制和減少外源磷輸入后，內(nèi)源磷循環(huán)被認(rèn)為是引起湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵原因[4]，因此內(nèi)源磷的地球化學(xué)循環(huán)已成為當(dāng)前湖泊富營(yíng)養(yǎng)化研究中的重要領(lǐng)域。藍(lán)藻中含有大量有機(jī)磷和聚磷酸鹽，其腐解過(guò)程中產(chǎn)生的溶解態(tài)有機(jī)磷（DOP）可以直接被浮游植物利用[5]；產(chǎn)生的顆粒態(tài)磷（PP）是湖水中總磷的一部分，可沉降到湖底并釋放溶解態(tài)磷進(jìn)入上覆水[6]，PP 也是維持浮游植物生長(zhǎng)的磷源[7]。藍(lán)藻聚集過(guò)程中磷酸鹽（PO43--P）為溶解性磷的主要形態(tài)，且磷和藻源有機(jī)物均在6.5 d或9.5 d 內(nèi)快速釋放，而后降低并進(jìn)入內(nèi)源循環(huán)[8]。目前對(duì)藍(lán)藻降解過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的系統(tǒng)研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道，本研究系統(tǒng)分析不同水環(huán)境條件下藍(lán)藻降解液中總?cè)芙鈶B(tài)磷（TDP）、顆粒態(tài)磷（PP）、正磷酸鹽（PO43--P）、總?cè)芙鈶B(tài)氮（TDN）、氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3--N）以及pH 等理化參數(shù)的變化特征，對(duì)探索湖泊內(nèi)源氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的綜合防治具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)方案采用4 個(gè)6 L 的玻璃容器（直徑150 mm，下部設(shè)置取樣口）進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前用超純水潤(rùn)洗玻璃容器數(shù)遍，自然晾干備用。稱(chēng)取4 份50 g 離心后新鮮藻體（經(jīng)鏡檢99%以上為微囊藻）加入玻璃容器內(nèi)，分別加入各組實(shí)驗(yàn)用水，并標(biāo)記最初液面位置，實(shí)驗(yàn)過(guò)程無(wú)外源營(yíng)養(yǎng)鹽加入。實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1，其中A、B 組將玻璃容器放置于通風(fēng)處并進(jìn)行光照，模擬藍(lán)藻自然狀態(tài)下的有氧降解；C、D 組用鋁箔密封玻璃容器，進(jìn)行遮光處理并放置在黑暗環(huán)境中，模擬藍(lán)藻的缺氧降解。實(shí)驗(yàn)處于常溫環(huán)境（25 ℃左右），每天中午12 時(shí)整從底部取樣口采集水樣。實(shí)驗(yàn)采用的湖水水質(zhì)背景值如下：溫度26.7 ℃，pH 7.67，Chl-a 112.39 μg/L，DO 5.72 mg/L，TN 5.94 mg/L，TP 0.58 mg/L，NH4+-N 4.31 mg/L，NO3--N 0.78 mg/L，PO43--P 0.10 mg/L。

表1 藍(lán)藻降解實(shí)驗(yàn)方案

1.2 樣品分析測(cè)試

將水樣經(jīng)0.45 μm 醋酸纖維濾膜過(guò)濾后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。DO 采用便攜式DO 水質(zhì)分析儀測(cè)定；總氮（TN）、總磷（TP）分別使用堿性-過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法、過(guò)硫酸鉀消解-鉬酸鹽分光光度法測(cè)定，溶解性總氮（TDN）、溶解性總磷（TDP）參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》中TN、TP 測(cè)定方法；硝酸鹽氮（NO3--N）、正磷酸鹽（PO43--P）采用離子色譜法測(cè)定；氨氮（NH4+-N）采用納氏試劑光度法測(cè)定；葉綠素a（Chl-a）用丙酮法提取測(cè)定[9-10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 藍(lán)藻降解液中pH、DO 及葉綠素a 分析

由圖1 可知，A、B 組實(shí)驗(yàn)初期葉綠素a 濃度較低，隨著降解時(shí)間增加，含量值上升到最大值后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。而水環(huán)境中pH值呈現(xiàn)小范圍內(nèi)波動(dòng)，最終有小幅上升；DO 在降解過(guò)程中呈先增加后降低趨勢(shì)。因此，pH、DO 及葉綠素a 含量變化表明，藍(lán)藻在實(shí)驗(yàn)前期進(jìn)行光合作用并保持良好的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。A 組實(shí)驗(yàn)在第16 d 葉綠素a 含量達(dá)最大值1 020.3 μg/L，通過(guò)觀察藍(lán)藻出現(xiàn)輕度黃綠色，部分藻體下沉到底部，水體逐漸渾濁且懸浮物增多，之后含量持續(xù)下降。B 組實(shí)驗(yàn)中藍(lán)藻可能利用自身儲(chǔ)存的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)維系生長(zhǎng)，在第16 d 葉綠素含量達(dá)最大值790.8 μg/L 后呈下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行第30 d 左右，A 組DO 濃度由初始值7.67 mg/L 降至4.72 mg/L，同時(shí)容器內(nèi)出現(xiàn)大量黃褐色懸浮物，容器壁上殘留部分藍(lán)藻。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，藍(lán)藻殘?bào)w大部分沉降，DO 濃度開(kāi)始回升至6.61 mg/L。由此可知，在光照條件下，藍(lán)藻初期會(huì)進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生O2 和OH-，導(dǎo)致水體葉綠素a、DO 和pH 值上升；后期隨著藍(lán)藻降解，葉綠素a、DO 快速下降。

圖1 藍(lán)藻降解過(guò)程水體中pH、DO、葉綠素a 隨時(shí)間變化

C、D 組處于完全封閉的黑暗環(huán)境，藍(lán)藻主要利用水中DO 進(jìn)行呼吸作用，因此C、D 組中DO 含量在第20 d 分別降到最低值0.89 mg/L、0.97 mg/L；水樣中葉綠素a 含量也快速下降，在第7 d 葉綠素a分別降至127.9 μg/L、150.4 μg/L。有研究表明[11]，缺氧環(huán)境下，藻類(lèi)在微生物作用下降解產(chǎn)生有機(jī)酸和CO2。由于微生物利用有機(jī)酸同時(shí)產(chǎn)生銨鹽，溶液pH 上升，因此造成C、D 組水樣pH 值變化。C組葉綠素a 降低速率比D 組快，是因?yàn)楹械奈⑸锖扛?，藍(lán)藻降解快。由此可知，藍(lán)藻在黑暗封閉環(huán)境中快速降解，并伴隨藻類(lèi)呼吸和微生物作用，水體葉綠素a、DO 和pH 顯著下降。

2.2 藍(lán)藻降解液中磷形態(tài)與含量分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量變化如圖2 所示。A組TDP 濃度初始值為0.81 mg/L，B 組TDP 濃度初始值為0.21 mg/L，實(shí)驗(yàn)初期兩組TDP 含量略有下降，原因是藍(lán)藻生長(zhǎng)吸收水中磷所致。實(shí)驗(yàn)第15-30 d，A、B 組TDP 濃度顯著提高，原因是在微生物作用下藍(lán)藻降解，釋放出溶解態(tài)磷進(jìn)入水體[12]。C、D組TDP 濃度均呈先上升后下降趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)前20 d，C、D 組TDP 增長(zhǎng)速率分別高達(dá)0.21 mg/（L·d）、0.117 mg/（L·d），TDP 濃度在第20 d 分別達(dá)最大值3.60 mg/L 和3.12 mg/L，原因是隨著藍(lán)藻殘?bào)w快速降解，藍(lán)藻體內(nèi)含磷物質(zhì)被釋放。隨后C、D 組TDP 含量出現(xiàn)下降，觀察發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻細(xì)胞殘?bào)w沉積到容器底部或吸附于容器壁，C、D 組TDP 含量下降原因是藍(lán)藻殘?bào)w中儲(chǔ)存磷營(yíng)養(yǎng)鹽未完全釋放，有部分磷隨著藍(lán)藻殘?bào)w沉積到容器底部和容器壁。

圖2 藍(lán)藻降解過(guò)程水體中TDP、PO43--P、PP 濃度隨時(shí)間變化

四組實(shí)驗(yàn)中PO43--P 濃度在前15 d 均增長(zhǎng)，幅度有所不同。有研究表明[13]，微囊藻殘?bào)w先進(jìn)行降解作用，成為0.45 μm 的膠體顆粒物。膠體顆粒物經(jīng)過(guò)分解，成為溶解態(tài)磷，分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量TDP 和PO43--P，合理解釋了本實(shí)驗(yàn)A、B 組PO43--P 濃度變化。其中，A 組中PO43--P 濃度表現(xiàn)出波動(dòng)上升，平均值約為0.40 mg/L；B 組與A 組前20 d 濃度變化情況相似，第20 d 后B 組PO43--P濃度高于A 組。C 組中前7 d PO43--P 濃度平均增長(zhǎng)速率最大，第13 d 濃度達(dá)到最大值1.51 mg/L；D組前6 d 濃度平均增長(zhǎng)速率最大，第20 d 濃度達(dá)到最大值1.39 mg/L。兩組存在差異的原因是加入水源不同，導(dǎo)致微生物分解作用強(qiáng)弱不同。

A、B 組PP 濃度變化趨勢(shì)差別較小，均呈現(xiàn)出上升后下降。因?yàn)樗{(lán)藻降解產(chǎn)生的顆粒物增加，PP濃度開(kāi)始上升。C、D 組PP 濃度變化趨勢(shì)均為持續(xù)下降，降解率為90%，原因是PP 在厭氧環(huán)境下部分轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)磷或快速降解沉降所致。

2.3 藍(lán)藻降解液中氮形態(tài)與含量分析

藍(lán)藻降解水中總?cè)芙鈶B(tài)氮（TDN）、氨氮（NH4+-N）及硝酸鹽氮（NO3--N）的濃度變化如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)中A 組TDN 濃度前10 d 持續(xù)下降，第10 d TDN 濃度達(dá)到最低值5.1 mg/L 后，開(kāi)始上升；B 組TDN 濃度在前10 d 表現(xiàn)為先上升后降低，在第10 d 濃度值下降至4.81 mg/L，隨后再次上升，在第20 d 又降低，此時(shí)TDN 濃度值為7.06 mg/L。在第20 d 后TDN 濃度一直處于上升狀態(tài)，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。C、D 組TDN 濃度變化總體趨勢(shì)均為先上升后下降，其中C、D 組均在第20 d 濃度達(dá)到峰值，分別為21.4 mg/L、20.68 mg/L，之后TDN 濃度均開(kāi)始降低。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)惡臭味，原因是C、D 組為避光封閉會(huì)形成缺氧環(huán)境，導(dǎo)致水體中有機(jī)氮發(fā)生氨化作用產(chǎn)生NH3[14]。A 組NH4+-N 濃度變化趨勢(shì)為先下降后上升，其中實(shí)驗(yàn)第1～10 d 期間NH4+-N 濃度為持續(xù)下降，原因是藍(lán)藻生長(zhǎng)吸收水中的NH4+-N；B 組NH4+-N 濃度變化趨勢(shì)為持續(xù)上升。李柯等[15]報(bào)道藍(lán)藻分解過(guò)程中氮的兩種主要釋放途徑分別是被細(xì)菌或浮游動(dòng)物礦化形成NH4+-N 以及自溶產(chǎn)生溶解性有機(jī)（DON）；Dai等[16]研究也表明藻類(lèi)死亡后，有機(jī)氮在微生物作用下會(huì)向無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)初期C、D 組NH4+-N快速增長(zhǎng)，第20 d NH4+-N 濃度開(kāi)始降低。此過(guò)程原因可能是藍(lán)藻死亡后沉降，在微生物作用下有機(jī)物分解出NH4+-N 釋放到水體中，NH4+-N 濃度增加；隨后由于硝化作用NH4+-N 開(kāi)始轉(zhuǎn)化為NO3--N導(dǎo)致濃度降低。蔣小欣等[17]在文獻(xiàn)中提到好氧狀態(tài)下硝化細(xì)菌會(huì)進(jìn)行硝化作用導(dǎo)致NH4+-N 濃度降低，印證了本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氮營(yíng)養(yǎng)鹽變化。

圖3 藍(lán)藻降解過(guò)程水體中TDN、NH4+-N、NO3--N 隨時(shí)間變化

A 組NO3--N 濃度在前7 d 呈下降趨勢(shì)，在第7 d 達(dá)到最低值0.84 mg/L。隨后濃度開(kāi)始上升，在第20 d 達(dá)到最大值1.26 mg/L 后繼續(xù)下降；B 組NO3--N 濃度在第7 d 處于下降，濃度為0.6 mg/L，隨后NO3--N 濃度直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束都處于上升狀態(tài)；C、D 組NO3--N 濃度呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，其中C 組在第7 d 達(dá)到最大值1.38 mg/L，D 組在第10 d 達(dá)到最大值1.13 mg/L。C、D 組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中伴隨NH4+-N 濃度不斷上升，濃度呈下降態(tài)勢(shì)。有文獻(xiàn)證實(shí)[18]，隨著氧氣消耗，部分NO3--N 會(huì)轉(zhuǎn)化為NH4+-N。由此可知，在藍(lán)藻降解過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生NH4+-N 和NO3--N，伴隨水環(huán)境變化和微生物作用，水體中NH4+-N 和NO3--N 之間可能會(huì)相互轉(zhuǎn)化。

2.4 藍(lán)藻降解液中營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)性分析

在不同實(shí)驗(yàn)條件下，藍(lán)藻在生長(zhǎng)期與死亡降解期均釋放出N、P 等營(yíng)養(yǎng)元素。為探究營(yíng)養(yǎng)元素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，本研究分析了此過(guò)程中各水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性，具體見(jiàn)于表2。A、B 組的DO 以及C、D 組的NO3--N 與其他指標(biāo)均無(wú)明顯相關(guān)性，而pH 與TDP、PO43--P、PP、TDN、NO3--N 及NH4+-N 呈顯著的相關(guān)性，表明藍(lán)藻不同的降解過(guò)程均對(duì)水體的pH 影響較大，其中避光降解條件下降解液中DO快速消耗殆盡，pH 也顯著降低。C、D 組降解液中TDP、PO43--P、TDN 及NH4+-N 與PP 呈顯著負(fù)相關(guān)性，這說(shuō)明藍(lán)藻降解產(chǎn)生的顆粒態(tài)磷最后轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)磷。A、B、C、D 各組TDP 與PO43--P 均呈顯著正相關(guān)性（p＜0.01），說(shuō)明PO43--P 是可溶性磷的主要組成成分。A、B、C、D 四組實(shí)驗(yàn)中NH4+-N 與TDN 也呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），但NO3--N與其他指標(biāo)均無(wú)明顯相關(guān)性，這說(shuō)明了藍(lán)藻腐解過(guò)程水體中的氮元素可能主要以無(wú)機(jī)氮的形式存在，且主要存在形態(tài)為NH44+-N。降解液中營(yíng)養(yǎng)鹽的含量分析也表明，藍(lán)藻衰亡降解過(guò)程中釋放了大量PO43--P 和NH4+-N 無(wú)機(jī)鹽。

表2 藍(lán)藻降解過(guò)程中水體營(yíng)養(yǎng)鹽的相關(guān)性分析

3 結(jié)論

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究光照、氧氣對(duì)藍(lán)藻的降解影響，結(jié)果表明，光照有氧條件下，藍(lán)藻先會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)，后因營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少而降解；密封遮光條件下，藍(lán)藻快速降解。而微生物利用和顆粒物吸附可降低湖水降解液中TDP、PO43--P 和TDN 的含量。

（2）各組實(shí)驗(yàn)中的營(yíng)養(yǎng)鹽含量普遍增加，無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)及其含量變化趨勢(shì)表明，藍(lán)藻在光照好氧環(huán)境下首先主要產(chǎn)生PP，實(shí)驗(yàn)第20 d 后PP沉降進(jìn)入內(nèi)循環(huán)或進(jìn)一步分解釋放PO43--P，致使上覆水中PO43--P 含量上升；避光無(wú)氧降解環(huán)境下，藍(lán)藻會(huì)迅速腐解并產(chǎn)生大量PP，致使水體中PO43--P 含量快速上升。

（3）相關(guān)性分析結(jié)果表明NO3--N 與其他指標(biāo)無(wú)明顯相關(guān) 性；TDP、PO43--P、TDN 及NH4+-N 與pH 呈顯著相關(guān)性（p＜0.05）；各組降解液中TDP 與PO43--P 均呈顯著正相關(guān)性（p＜0.01）；NH4+-N 與TDN 均呈顯著正相關(guān)性（p＜0.01）。相關(guān)性分析表明，PO43--P 和NH4+-N 營(yíng)養(yǎng)鹽是藍(lán)藻衰亡降解過(guò)程中釋放的無(wú)機(jī)鹽主要組分。