淀山湖藍(lán)藻碎屑的好氧降解和營養(yǎng)鹽釋放規(guī)律研究

孫遠(yuǎn)軍 (上海市環(huán)境科學(xué)研究院,上海 201200)

淀山湖地處上海、江蘇和浙江的交界處,是太湖水系的一個重要組成部分,是上海最大的淡水湖泊,在江南水資源保護中占相當(dāng)重要地位.作為黃浦江的重要水源地,淀山湖兼具交通運輸、調(diào)節(jié)徑流、農(nóng)田排灌、水上航運、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及交通運輸?shù)裙δ躘1-2].隨著周圍工、農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人口的增長,大量污染物進(jìn)入湖內(nèi),水體水質(zhì)不斷惡化,湖內(nèi)浮游植物的生物多樣性減少,正逐步向以綠藻-藍(lán)藻為主的群落結(jié)構(gòu)演替[3-5],隨著營養(yǎng)鹽含量的升高,部分湖區(qū)的富營養(yǎng)化程度也不斷惡化[6].1985年淀山湖首次大規(guī)模爆發(fā)藻類“水華”[7],2007年淀山湖共出現(xiàn)了3次藍(lán)藻“水華”,其中8月30日的“水華”是1986年以來最為嚴(yán)重的一次[8],2009年9月在淀山湖的西部和南部區(qū)域也出現(xiàn)了藍(lán)綠藻的大面積堆積.這嚴(yán)重威脅淀山湖生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展和水體的使用功能.

氮和磷被認(rèn)為是造成水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)物質(zhì)[9].除了入湖河流、地表徑流、湖面降水等外源輸入外,營養(yǎng)鹽的動態(tài)、靜態(tài)內(nèi)源釋放也導(dǎo)致淀山湖水體維持在較高的養(yǎng)化水平[10-12].在水力作用下,湖內(nèi)死亡藻類的重新分解也會產(chǎn)生大量顆粒態(tài)、溶解態(tài)和膠體態(tài)的營養(yǎng)鹽[13-15],這部分內(nèi)源釋放的營養(yǎng)物將會重新進(jìn)入湖體的物質(zhì)循環(huán)圈,為藻類的生長所利用[16].所以,有必要對藍(lán)藻死亡后降解及營養(yǎng)鹽釋放的規(guī)律進(jìn)行了解.淀山湖屬于典型的平原淺水湖,水體溶解氧含量較高,在夏季也保持在3mg/L以上的水平.本研究采集淀山湖的水華藍(lán)藻,在實驗室條件下模擬藻類死亡后的好氧降解過程,分析因降解而引起的氮、磷不同形態(tài)營養(yǎng)物的動態(tài)釋放過程.

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 樣品采集 2012年9月,在淀山湖西南方位藻類大量堆積區(qū),用孔徑 64μm 的浮游生物網(wǎng)收集表層的水華藻類,除去較大的雜物顆粒,放于1000mL的采樣瓶內(nèi),于低溫環(huán)境下快速送至實驗室,經(jīng)鏡檢發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻門中的微囊藻約占96%.同時采集表層水體,經(jīng) 64μm 的篩網(wǎng)濾去大顆粒懸浮物和浮游生物后,作為實驗的培養(yǎng)用水.試驗用湖水水質(zhì)的背景值如下:氨氮 0.287mg/L,硝氮0.700mg/L,總氮 1.690mg/L,正磷酸鹽 0.013mg/L,溶解態(tài)總磷0.049mg/L,總磷0.107mg/L,總有機碳5.580mg/L,CODCr37mg/L,葉綠素a0.019mg/L.

試驗于2012年9月15～29日進(jìn)行,每天上午9:00將箱內(nèi)水體攪拌均勻,采集中層水樣,分別進(jìn)行銨態(tài)氮、硝酸鹽氮、總氮、正磷酸鹽、溶解態(tài)總磷、總磷和TOC等指標(biāo)的測定,取樣后補充等量的蒸餾水.

1.1.2 試驗裝置 用 2 個 50cm×37.5cm×24.5cm的不透明的長方體塑料水箱作為降解試驗的反應(yīng)器,里面加入過濾后的湖水至 20cm 深處.降解試驗在實驗室內(nèi)進(jìn)行,室溫控制在 25℃左右.接近水箱底部的4個邊角分別放置1個小型潛水泵,在水泵推流的作用下箱內(nèi)湖水呈流動狀態(tài),這樣在保證顆粒物懸浮的同時,還可以加強大氣復(fù)氧作用,使箱內(nèi)湖水為好氧狀態(tài).水箱頂部覆蓋黑色塑料紙,使整個反應(yīng)器完全避光.

將收集到的水華藻類置于超聲波清洗器(超聲功率設(shè)置為100%)中超聲1h,結(jié)束時發(fā)現(xiàn)原本上浮的微囊藻均勻地分布在采樣瓶內(nèi),該過程認(rèn)為可以強制將微囊藻致死.參照文獻(xiàn)[8-10].取超聲處理過的藻液50g倒入1#水箱內(nèi).未加藻液的2#水箱即為對照試驗,

1.1.3 儀器 MultiN/C 3100型TOC分析測定儀,YSI 58型溶氧儀,01J2003-04型立式壓力蒸汽滅菌器,DHG-9031A型電熱恒溫干燥箱,T6-新世紀(jì)可見/紫外分光光度計,KQ-250DE型數(shù)控超聲波清洗器,BS 223S型分析天平,DRB200型COD微回流反應(yīng)器,DR/2800型分光光度計等.

1.2 樣品分析方法

溶解氧采用膜式電極法由溶氧儀測定,銨態(tài)氮、硝酸鹽氮、總氮、正磷酸鹽、溶解態(tài)總磷、總磷按《水和廢水監(jiān)測分析方法》[17]的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行,葉綠素-a采用乙醇浸提再分光光度測定的方法[18-19],TOC采用Multi N/C3100TOC分析儀測定.數(shù)理統(tǒng)計、圖像處理分別由 SPSS 15.0統(tǒng)計軟件和origin7.0完成.

2 試驗結(jié)果

2.1 水中葉綠素a含量的變化過程

藍(lán)藻屬于原核生物,沒有葉綠體,其葉綠素 a位于細(xì)胞內(nèi)的光合片層上[20].藻細(xì)胞死亡后,光合片層隨著細(xì)胞體破裂而釋放,片層內(nèi)的葉綠素含量也隨之不斷衰減.由于葉綠素 a的降解需要一定時間,所以如果用葉綠素間接表征活體藻類數(shù)量,會產(chǎn)生一定的滯后.在實驗過程中對箱內(nèi)水體chl-a的含量進(jìn)行監(jiān)測,結(jié)果如圖1所示.

圖1 死亡藍(lán)藻好氧降解過程中水體Chl-a的濃度變化Fig.1 Chl-a concentration in the aerobic degradation process of death cyanobacteria

從圖1可以看出,2組實驗中葉綠素a的變化趨勢存在顯著差別(P=0.0116).藻類經(jīng)超聲處理后水體葉綠素 a的含量從第 3d開始快速下降,從0.240mg/L減少到0.105mg/L.之后2d下降速度變小,第6d后速度進(jìn)一步減小,第9d后葉綠素含量與對照試驗相當(dāng),9d后葉綠素的減少量占初始值的 92.06%,說明絕大多數(shù)藍(lán)藻已經(jīng)死亡.由于過濾作用,對照體系中所剩的藻類本來就有限,chl-a的初始含量僅0.019mg/L,之后逐漸下降至0.001mg/L左右.

2.2 水中氮素的變化過程

試驗過程中水體內(nèi)氮素的變化過程如圖 2所示.由于試驗在好氧狀態(tài)下進(jìn)行,無反硝化過程發(fā)生,所以2個體系總氮的含量都很穩(wěn)定,分別保持在 5.69～6.79mg/L 與 1.46～2.18mg/L 之間.1#體系中總氮的含量明顯高于對照試驗(P＜0.05),原因主要在于藻體的增加.

圖2 死亡藍(lán)藻好氧降解過程中水體氮素的濃度Fig.2 nitrogen concentration in the aerobic degradation process of death cyanobacteria

藻類死亡后,有機氮在微生物的作用下向無機氮轉(zhuǎn)化.從圖 2b中可以看出,1#試驗體系第 2d氨氮的含量上升并不明顯,但是在第3～6d期間氨氮含量從0.797mg/L迅速提高到3.400mg/L,之后由于硝化反應(yīng)而不斷下降,12d后基本穩(wěn)定在與對照試驗相當(dāng)?shù)乃?約為 0.5mg/L.硝態(tài)氮的含量在試驗前幾天變化不大,在第 7～10d的時間內(nèi)含量開始緩慢升高,由 0.700mg/L升高至1.030mg/L,之后上升速度加快,直到試驗結(jié)束含量仍在增加,試驗結(jié)束時硝態(tài)氮含量比初始值高4.22倍.對照試驗中,氨氮和硝態(tài)氮的含量都有所升高,但是變化不大,分別從 0.273mg/L升高至0.409mg/L,從0.706mg/L升高至0.980mg/L.雖然溫度等環(huán)境都滿足硝化反應(yīng)的條件,但是仍然沒有發(fā)生顯著的硝化反應(yīng),原因可能在于水樣取自天然湖泊,水中各污染物組分都已趨于動態(tài)平衡.

2.3 水中磷素的變化過程

圖3 死亡藍(lán)藻好氧降解過程中水體磷素的濃度Fig.3 phosphorus concentration in the aerobic degradation process of death cyanobacteria

試驗過程中水體內(nèi)磷素的變化過程如圖 3所示.從圖3a可以看出,1#體系溶解態(tài)總磷與顆粒態(tài)磷的變化都與對照試驗存在顯著差異(P＜0.05).顆粒態(tài)磷在前 9d不斷下降,由初始的0.321mg/L下降至 0.034mg/L,幾乎減少了 90%,之后漸趨穩(wěn)定.與此相反,溶解態(tài)磷的含量在前6d快速升高,從0.128mg/L升高了將近3倍,之后速度減慢,到11d后逐漸穩(wěn)定.試驗開始,1#體系中總磷主要由顆粒態(tài)磷構(gòu)成,其含量占總量的 50%以上,但是試驗結(jié)束后溶解態(tài)磷含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出顆粒態(tài)磷,這是由于在微生物作用下顆粒態(tài)的有機磷被降解,轉(zhuǎn)化成無機磷釋放進(jìn)入水體.對照試驗中溶解態(tài)磷含量較低,在試驗期間變化不大,基本維持在 0.025～0.054mg/L的范圍內(nèi),顆粒態(tài)磷的含量低于溶解態(tài)磷,在試驗期間呈不斷下降趨勢,9d以后逐漸穩(wěn)定在0.010mg/L以下.

水體溶解態(tài)磷由正磷酸鹽和溶解態(tài)有機磷構(gòu)成,試驗過程中 2個體系溶解態(tài)磷組分的變化過程如圖 3b所示.可以看出,1#體系的正磷酸鹽和溶解態(tài)有機磷含量均高于對照試驗(P＜0.05),這與添加的藻類有關(guān).1#體系中正磷酸鹽的含量在試驗的前 6d迅速從 0.082mg/L提高至0.304mg/L,升高速率可達(dá) 0.048mg/(L·d),之后增加的速度變慢,約為0.015mg/(L·d),實驗結(jié)束時正磷酸鹽含量比初始值高出 4.20倍. 溶解態(tài)有機磷的含量變化不明顯,前 6d僅有微量上升,之后逐漸下降至與對照試驗相當(dāng)?shù)乃?基本維持在0.040～0.107mg/L.對照試驗中,2種溶解態(tài)磷的含量都很低,并且在試驗過程中無明顯變化,分別維持在0.050～0.037mg/L和0～0.044mg/L的范圍內(nèi).

2.4 水中有機物的變化過程

試驗過程中水體內(nèi)有機碳的濃度變化過程如圖4所示,可以看出,1#體系TOC的濃度變化趨勢與對照試驗有著顯著差異(P＜0.05).1#體系的TOC含量在前 3d呈現(xiàn)快速下降的趨勢,從40.68mg/L下降至 21.85mg/L,之后下降速度變慢,10d以后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài).對照體系中的TOC含量較為穩(wěn)定,在試驗過程中變化不大,基本維持在5.31～7.78mg/L的范圍內(nèi).

圖4 死亡藍(lán)藻好氧降解過程中水體TOC的濃度Fig.4 TOC concentration in the aerobic degradation process of death cyanobacteria

3 分析與討論

3.1 藍(lán)藻碎屑好氧降解的過程分析

水華藻類死亡后形成大量顆粒態(tài)碎屑和膠體物質(zhì),在微生物的作用下有機物進(jìn)行降解,生成溶解態(tài)的有機碳和營養(yǎng)鹽進(jìn)入水體[14].對1#體系試驗過程中葉綠素、氨氮、硝酸鹽氮、正磷酸鹽、溶解態(tài)總磷和顆粒態(tài)磷的含量進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表1所示.

表1 氮、磷、葉綠素與有機碳間的相關(guān)系數(shù)Table 1 Pearson correlations of concentration of N, P, chl-a and TOC

由表1可知,顆粒態(tài)磷PP與間接表征藍(lán)藻生物量的葉綠素 a呈顯著的正相關(guān)性,與溶解態(tài)總磷DTP呈顯著的負(fù)相關(guān)性,說明水體顆粒態(tài)磷與藍(lán)藻細(xì)胞同源,隨著好氧降解的進(jìn)行,藻細(xì)胞破裂,光合片層上的葉綠素衰減,細(xì)胞內(nèi)顆粒態(tài)的磷釋放進(jìn)入水體,轉(zhuǎn)化成溶解態(tài)磷,顆粒態(tài)磷含量降低,溶解態(tài)磷含量上升.DTP與正磷酸鹽呈顯著的正相關(guān)性,說明水體中的溶解態(tài)磷主要構(gòu)成成分是正磷酸鹽,藻類中的顆粒態(tài)磷在微生物的降解作用下以無機正磷酸鹽的形式釋放.

藍(lán)藻細(xì)胞死亡后,藻細(xì)胞內(nèi)的有機氮在微生物參與下發(fā)生氨化作用,有機氮轉(zhuǎn)化成銨態(tài)氮,好氧條件下硝化細(xì)菌先把銨態(tài)氮氧化成亞硝態(tài)氮,之后再進(jìn)一步氧化成硝態(tài)氮[21].所以1#實驗體系銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)先上升后下降,硝酸鹽在銨態(tài)氮下降后的第3d才開始快速增長,銨態(tài)氮與硝態(tài)氮之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系.

由表 1可以看出,水體有機碳含量與葉綠素含量之間存在顯著的正相關(guān)性,說明實驗體系內(nèi)有機碳主要來源于死亡藻類碎屑.在微生物的礦化作用下,高分子含碳有機物首先被降解成低分子有機碳,在溶解氧充足的情況下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成二氧化碳釋放進(jìn)入空氣.

3.2 藍(lán)藻碎屑碳、氮、磷釋放特性的比較

1#試驗體系銨態(tài)氮含量在前3d的增長速率為 0.441mg/(L·d),硝態(tài)氮在第9～11d期間的增長速率為 0.129mg/(L·d),之后增加到 0.610mg/(L·d).上述結(jié)果表明,死亡藍(lán)藻碎屑在第3d至第6d的降解過程以氨化反應(yīng)為主,8d后硝化反應(yīng)啟動,直到實驗結(jié)束硝化反應(yīng)仍在持續(xù)進(jìn)行.比較實驗前后1#試驗體系顆粒態(tài)氮含量可知,在15d時間內(nèi)藍(lán)藻碎屑內(nèi) 56.75%的有機氮可好氧降解為被浮游植物直接利用的硝態(tài)氮.從 1#體系的試驗數(shù)據(jù)可以看出,死亡藍(lán)藻碎屑有機磷主要以正磷酸鹽的形式釋放進(jìn)入水體,中間產(chǎn)生的溶解態(tài)有機磷數(shù)量有限.釋放過程主要集中在前 6d,期間正磷酸鹽的釋放量占釋放重量的71.53%,釋放速度可達(dá) 0.048mg/(L·d).比較顆粒態(tài)磷前后的濃度變化,可知在15d時間內(nèi)藍(lán)藻碎屑內(nèi)85.04%的顆粒態(tài)磷可好氧降解為被浮游植物直接利用的正磷酸鹽.

從 1#體系的試驗結(jié)果可以看出,藍(lán)藻死亡后有機碳礦化過程隨即進(jìn)行,其中易于生物利用的小分子有機碳先被生物降解,有機碳含量在前2d的礦化速度為9.415mg/(L·d),2d時間內(nèi)完成全部礦化量的 73.33%.由于易降解物質(zhì)已被降解,在第 3～10d礦化速率變慢,有機碳下降速率僅為0.88mg/(L·d),10d后有機碳含量變化不大,礦化過程基本結(jié)束,礦化率可達(dá)61.04%.

4 結(jié)論

4.1 好氧條件下,在15d的時間內(nèi)死亡藍(lán)藻碎屑顆粒態(tài)氮的礦化率達(dá)56.75%,顆粒態(tài)磷的礦化速率達(dá)85.04%,有機碳的礦化速率達(dá)61.04%.

4.2 好氧條件下,死亡藍(lán)藻碎屑中的有機碳被微生物礦化成 CO2,前 2d的礦化速率最大,可達(dá)9.415mg/(L·d),2d時間內(nèi)完成全部礦化量的73.33%,礦化時間持續(xù)10d左右.

4.3 好氧條件下,死亡藍(lán)藻碎屑中有機氮的氨化速率為 0.441mg/(L·d),6d后硝化反應(yīng)啟動,銨態(tài)氮先后被氧化成亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮,硝化反應(yīng)持續(xù)時間長,實驗結(jié)束時仍在成持續(xù).

4.4 好氧條件下,死亡藍(lán)藻碎屑中的有機磷被轉(zhuǎn)化成溶解態(tài)磷,其主要成分為正磷酸鹽.有機磷的轉(zhuǎn)化主要集中在前 6d,釋放速率為 0.048mg/(L·d),6d時間完成轉(zhuǎn)化總量的71.53%.

4.5 水華發(fā)生后,短時間內(nèi)大量藍(lán)藻死亡,在微生物的降解作用下,死亡藍(lán)藻釋放出可被浮游植物直接利用的氮、磷營養(yǎng)物,硝態(tài)氮和正磷酸鹽的含量分別提高4.22倍和4.20倍,由此產(chǎn)生的內(nèi)源負(fù)荷值得重視.

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