基于核磁共振技術(shù)的滆湖沉積物有機(jī)磷垂直分布特征

陳 晶,張毅敏,楊 飛,孔 明,張志偉,巴翠翠,尹 杰

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

在淺水湖泊中,沉積物作為湖體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的“匯”,同時(shí)又是湖泊營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的“源”,其含量和形態(tài)對(duì)水體浮游生物的數(shù)量、分布和初級(jí)生產(chǎn)力貢獻(xiàn)水平以及湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化都有重要影響[1-2]。沉積物的內(nèi)源釋放能夠維持上覆水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度,引起藻華現(xiàn)象頻繁發(fā)生[3],因此研究沉積物中磷的含量、賦存形態(tài)及其在時(shí)間序列上的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律尤其重要。

在太湖[3]采用傳統(tǒng)測(cè)試方法開展沉積物中有機(jī)磷賦存形態(tài)、空間和垂向變化特征的相關(guān)研究結(jié)果表明,總磷與各形態(tài)磷含量之間均呈較好的正相關(guān)關(guān)系,有機(jī)磷與鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(NaOH-Po)含量密切相關(guān)。間隙水中溶解性磷酸鹽與沉積物中各形態(tài)磷均具有一定的正相關(guān)性,空間分布上也呈現(xiàn)出規(guī)律性。近10多a滆湖周圍工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及湖面圍網(wǎng)養(yǎng)殖迅速發(fā)展,導(dǎo)致湖體水質(zhì)污染和富營(yíng)養(yǎng)化急劇加重,水生生物多樣性降低,湖泊從過(guò)去清水草型逐漸演化為濁水藻型[4],湖泊生態(tài)系統(tǒng)日趨脆弱。目前,針對(duì)滆湖不同生態(tài)類型湖區(qū)柱狀沉積物中有機(jī)磷形態(tài)的垂向分布及其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究鮮見報(bào)道,筆者采用有機(jī)磷連續(xù)分級(jí)提取和核磁共振磷譜測(cè)試方法,探討時(shí)間序列上各種有機(jī)磷之間的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，以期為滆湖內(nèi)源污染的治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與方法

滆湖位于長(zhǎng)江三角洲太湖流域西部,地處常州市武進(jìn)區(qū)西南部,跨武進(jìn)和宜興兩市,屬洮滆水系,總面積164 km2, 多年平均水位3.3 m,平均水深1.27 m,湖水面積149 km2,蓄水量1.575×108m3,是蘇南地區(qū)的第2大湖。

常合高速公路將滆湖分為南北兩部分,其中北部約占總面積20%,兩側(cè)交換量并不是很大。南部絕大部分區(qū)域水質(zhì)和生物量與北部相比有明顯差異,且湖區(qū)生態(tài)結(jié)構(gòu)也有明顯差異。塘門溝是目前北部湖區(qū)與支流孟津河的唯一匯合點(diǎn),水流量較大且沉積物富集速率也較快,能夠代表北部受污染影響最大的地段。滆湖中部區(qū)域主要是漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū),圍網(wǎng)養(yǎng)殖餌料的沉積對(duì)水體造成較大污染,使許多耐污能力差的沉水植物難以生長(zhǎng)[5]。南部殷村港是目前滆湖唯一存在大面積水生植被的湖區(qū),此處生長(zhǎng)著大量茭草、蘆葦、金魚藻、睡蓮、馬萊眼子菜和菱角等大型水生植物,包括浮葉、挺水和沉水植物,其演替符合草型湖區(qū)。

2015年9月底于滆湖南部草型湖區(qū)殷村港、中部漁業(yè)養(yǎng)殖湖區(qū)繁保區(qū)和北部入湖湖區(qū)塘門溝分別采集45、45和30 cm高的沉積物柱狀樣。采樣點(diǎn)位置如圖1所示,采樣點(diǎn)G1(31°47′45.9″ N,119°47′45.9″ E)位于滆湖南部殷村港低污染出湖凈化區(qū)示范工程內(nèi)部,生長(zhǎng)有大量挺水和沉水植物,表層沉積物質(zhì)地較軟,顏色大致呈黃褐色。采樣點(diǎn)G2(31°34′5.7″ N,119°48′37.1″ E)位于滆湖中部漁業(yè)繁保區(qū)周圍,該地有大量圍網(wǎng),生物密集程度較高,采集的沉積物為較軟的淤泥,顏色發(fā)黑且伴有腥臭味。采樣點(diǎn)G3(31°39′59.1″ N,119°47′14.6″ E)位于北部孟津河與滆湖交匯處,外河生活污水于此匯聚并流入滆湖內(nèi),沉積物呈青灰色。所有采樣點(diǎn)均用全球定位系統(tǒng)GPS定位,準(zhǔn)確記錄采樣點(diǎn)坐標(biāo)。

1.2 分析方法

所采集柱狀沉積物在現(xiàn)場(chǎng)以5 cm為單位進(jìn)行分樣,裝入自封袋并貼好標(biāo)簽,回實(shí)驗(yàn)室后放入冷凍干燥機(jī)(LGJ-12,博醫(yī)康)中進(jìn)行真空干燥,干燥完畢后研磨并過(guò)0.15 mm孔徑篩,保存在自封袋中備用。

圖1 滆湖采樣點(diǎn)位示意Fig.1 Distribution of sediments sampling points in Gehu Lake

沉積物總磷和無(wú)機(jī)磷、有機(jī)磷總含量采用SMT分離法[6]進(jìn)行測(cè)試,有機(jī)磷分級(jí)連續(xù)提取采用改進(jìn)的Ivanoff[7]的土壤分級(jí)方法,有機(jī)質(zhì)含量由沉積物在500 ℃下煅燒2 h后燒失量得到[8]。核磁共振儀為AV500(SB)(Bruker,瑞士)。液相31P核磁共振(31P-NMR)分析前,采用0.25+0.05 mol·L-1的NaOH-EDTA混合試劑對(duì)沉積物進(jìn)行提取后,將提取物濃縮,濃縮樣品先解凍,然后在 14 000 r·min-1條件下離心10 min(離心半徑為16 cm),在提取液中加入0.1 mL氘代試劑D2O用來(lái)鎖定信號(hào)。測(cè)試時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)腔5 mm的BBO探頭,31P譜共振頻率為242.739 MHz,脈沖為5.9 s,循環(huán)延遲為3 s,共掃描20 000次,測(cè)定溫度為20 ℃。所有31P化學(xué)位移均參照質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%的正磷酸鹽。不同化學(xué)位移磷組分測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[9],圖譜處理采用MestReNova 9 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)質(zhì)總量垂向分布

從圖2可知,有機(jī)質(zhì)的分布與湖區(qū)類型有著緊密聯(lián)系。漁業(yè)養(yǎng)殖湖區(qū)繁保區(qū)w(有機(jī)質(zhì))最高,為33.15～51.52 mg·g-1,平均為42.75 mg·g-1。入湖河口塘門溝次之,為21.25～44.65 mg·g-1,平均為33.43 mg·g-1。草型湖區(qū)殷村港最低,為18.62～34.42 mg·g-1,平均為26.69 mg·g-1。各湖區(qū)采樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)總量沿垂直方向由淺至深逐漸減少,這可能與外源污染物輸入、有機(jī)質(zhì)沉積并逐漸礦化分解有關(guān)[10]。

圖2 沉積物有機(jī)質(zhì)含量垂直分布

土壤有機(jī)質(zhì)主要包括通過(guò)微生物作用所形成的腐殖質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w和微生物體。富營(yíng)養(yǎng)化水體沉積物含有大量有機(jī)質(zhì),是水體攜帶的有機(jī)顆粒和水體生物死亡殘?bào)w下沉堆積的結(jié)果。生物體由大量有機(jī)物組成,本身含有大量有機(jī)碳和有機(jī)磷。研究[3]認(rèn)為有機(jī)物對(duì)有機(jī)磷有一定的吸附作用,由于腐殖質(zhì)能和鐵、鋁形成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體,提供了重要的無(wú)機(jī)磷吸附位點(diǎn),從而增強(qiáng)了對(duì)磷的吸附。另外有研究[11]認(rèn)為有機(jī)質(zhì)釋放H+可使礦物表面基團(tuán)質(zhì)子化而有利于磷的吸附。因此,有機(jī)質(zhì)本身是沉積物中主要磷庫(kù)[12],同時(shí)又可以通過(guò)吸附影響磷的釋放[13]。故而,隨著沉積物中有機(jī)物含量不斷增加,有機(jī)物不斷吸附有機(jī)磷，使得沉積物表層有機(jī)磷含量增高。

塘門溝水域經(jīng)過(guò)清淤之后,水底基質(zhì)較硬,大型水草鮮有生長(zhǎng),大量浮游生物因缺少競(jìng)爭(zhēng)且大量人為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排入而迅速繁殖。測(cè)試結(jié)果表明河口區(qū)w(葉綠素)大于草型區(qū)(分別為74.4和66.96 mg·m-3),河口區(qū)N/P比較草型區(qū)更有利于水華發(fā)生(兩者分別為14.33和5.45)。由于浮游生物繁衍更替快于大型水生植物,河口區(qū)腐殖質(zhì)及微生物殘?bào)w產(chǎn)生量較高,加之外源有機(jī)物的大量輸入,導(dǎo)致滆湖河口區(qū)有機(jī)質(zhì)含量比草型區(qū)高。

2.2 不同形態(tài)有機(jī)磷含量及垂向分布特征

湖泊生物對(duì)沉積物可利用磷主要來(lái)源于無(wú)機(jī)磷,而有機(jī)磷通常較穩(wěn)定且埋藏于沉積物內(nèi)部,對(duì)湖泊內(nèi)生物有效磷的補(bǔ)給貢獻(xiàn)較小,所以湖泊沉積物有效磷含量估計(jì)值往往偏低[14]。將沉積物有機(jī)磷形態(tài)分為弱吸附態(tài)磷(NaHCO3-P)、鈣結(jié)合態(tài)磷(HCl-P)、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(NaOH-P)和殘?jiān)鼞B(tài)磷4種類型,NaHCO3-P及部分NaOH-P容易對(duì)上覆水體營(yíng)養(yǎng)水平造成較大影響[15]。

由圖3可知，繁保區(qū)、殷村港和塘門溝w〔弱吸附態(tài)總磷(NaHCO3-Pt)〕分別為19.6～64.5、21.2～47.5和24.4～60.2 mg·kg-1,平均為34.6、37.2和43.8 mg·kg-1。其中,弱吸附態(tài)有機(jī)磷(NaHCO3-Po)含量分別為7.7～29.7、6.6～24.5和6.5～29.7 mg·kg-1。在垂向深度上,各點(diǎn)位弱吸附態(tài)總磷和弱吸附態(tài)有機(jī)磷含量相差不大,且基本隨深度的增加而減少。

HCl-P通常是沉積物早期地質(zhì)過(guò)程中形成的[16],性質(zhì)穩(wěn)定,被視為非生物可利用性磷。HCl-P是沉積物磷形態(tài)分級(jí)的主要提取部分,繁保區(qū)、殷村港和塘門溝w〔鈣結(jié)合態(tài)總磷(HCl-Pt)〕分別為144.7～752.4、442.3～1044.6和166.1～622.7 mg·kg-1,在垂向深度上,HCl-Pt含量在中上層變化規(guī)律并不明顯,下層含量逐漸減低。鈣結(jié)合態(tài)有機(jī)磷(HCl-Po)提取量普遍比HCl-Pt含量高40%,提取率較高,這與熊強(qiáng)等[17]研究得到滇池沉積物柱狀樣HCl-Po含量普遍較低的結(jié)果有所不同。

NaOH-P是沉積物主要的磷形態(tài)之一,外界環(huán)境因子的變化易導(dǎo)致其發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化,因此具有較高的潛在生物可利用性,對(duì)上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽含量貢獻(xiàn)較大[15]。繁保區(qū)、殷村港和塘門溝w〔鐵鋁結(jié)合態(tài)總磷(NaOH-Pt)〕分別為92.4～774.1、41.2～435.9和52.1～557.6 mg·kg-1,基本隨深度的增加而降低。鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)磷(NaOH-Po)主要包括活性較高的富里酸磷(FA-P)和非活性胡敏酸磷(HA-P),占NaOH-Pt的17.2%～47.6%。

殘?jiān)鼞B(tài)磷與礦物質(zhì)牢固結(jié)合,極難釋放,因此可視為非生物活性磷[16]。沉積物中w(殘?jiān)鼞B(tài)磷)分別為225.4～981.3、303.6～1 012.4和214.9～803.6 mg·kg-1,約占總磷含量的31.4%～53.7%。在垂直梯度上,殘?jiān)鼞B(tài)磷與有機(jī)質(zhì)含量呈相反趨勢(shì),這說(shuō)明殘?jiān)鼞B(tài)磷很可能來(lái)自于有機(jī)質(zhì)的分解。

綜上所述,滆湖沉積物可提取有機(jī)磷形態(tài)含量大小依次為殘?jiān)鼞B(tài)磷、HCl-Po、NaOH-Po和NaHCO3-Po,NaHCO3-Po和NaOH-Po作為沉積物潛在可釋放性磷,其含量垂直分布表現(xiàn)為隨深度增加而減少,表層含量之和顯著高于中下層。同時(shí),與有機(jī)質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(圖4),兩者存在顯著相關(guān)性(P<0.05),這表明有機(jī)質(zhì)對(duì)有機(jī)磷產(chǎn)生絕大部分貢獻(xiàn)。滆湖作為一個(gè)典型的淺水湖泊,表層沉積物極易受到風(fēng)浪擾動(dòng)而釋放出大量磷,這部分有機(jī)磷容易釋放到上覆水體,增加湖泊的營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷。

圖3 滆湖沉積物不同形態(tài)磷含量垂直分布

2.3 31P-NMR分析

基于31P-NMR譜圖分析(圖5),滆湖沉積物柱狀樣中主要檢測(cè)到5種分子形態(tài)含磷化合物:正磷酸鹽(orthophosphate)，6×10-6～7×10-6;磷酸單酯(P-monoester),4×10-6～6×10-6;磷酸二酯(lipid-P和DNA-P),0～3×10-6;焦磷酸鹽(pyrophosphate),-5×10-6～-2.5×10-6;多聚磷酸鹽(polyphosphate),-20×10-6～-18×10-6。其中,繁保區(qū)、殷村港和塘門溝點(diǎn)位沉積物均以無(wú)機(jī)形態(tài)的正磷酸鹽為主,分別占總含量68.4%～81.2%、71.2%～84.6%和73.4%～91.2%。磷酸單酯是沉積物有機(jī)磷的主要組成部分,主要包括肌醇磷酸、單核苷酸、磷酸糖類和部分核糖核酸(RNA)的降解產(chǎn)物[18]。研究表明,在厭氧條件下,磷酸單酯可以迅速礦化為磷酸鹽而被水生生物利用[19]。滆湖有機(jī)磷部分以磷酸單酯為主,平均占總含量的13.7%～24.5%,且自表層向下含量逐漸降低,這與張潤(rùn)宇等[20]利用核磁共振表征太湖梅梁灣沉積物中磷的剖面分布結(jié)果相似。磷酸二酯主要包括核酸(DNA、RNA)、磷脂和磷壁酸,磷酯二酯在沉積物中的穩(wěn)定性低于磷酸單酯,易受細(xì)菌等微生物的礦化而分解為磷酸單酯,是正磷酸鹽的重要潛在來(lái)源,從而對(duì)上覆水體造成影響[17]。在巢湖表層沉積物中,檢測(cè)到的磷酸二酯主要為磷脂和DNA;磷酸二酯含量一般較少,平均含量不足10%,且二酯極易分解,采樣過(guò)程和樣品保存過(guò)程可能導(dǎo)致二酯含量減少[21]。在繁保區(qū)沉積物柱狀樣中,檢測(cè)到大大高于平均水平的磷酸二酯,這可能是由于當(dāng)?shù)厣锩芏乳L(zhǎng)期較高,導(dǎo)致溶解氧含量偏低,使得磷酸單酯轉(zhuǎn)化為磷酸二酯所致[22]。

圖4 滆湖沉積物有機(jī)磷含量與有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性分析

焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽是沉積物無(wú)機(jī)磷的組成成分,具有較高活性,可以被水生生物直接利用,從而成為藻華爆發(fā)的潛在風(fēng)險(xiǎn)源[21]。由于焦磷酸鹽在碳氮的作用下很容易被微生物分解利用,因此常被作為沉積物的正磷酸鹽庫(kù),對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)鹽狀況具有重要的生態(tài)學(xué)意義[14],在塘門溝與繁保區(qū),檢測(cè)到明顯的焦磷酸鹽特征峰,這可能與人為活動(dòng)有密切關(guān)系。膦酸鹽被認(rèn)為是原生動(dòng)物新陳代謝的產(chǎn)物,它不像其他含C—O—P鍵的磷生物大分子,而是含有更穩(wěn)定的C—P鍵,膦酸在環(huán)境中的含量較低，但通常穩(wěn)定性和耐酸堿性強(qiáng)[23]。膦酸鹽存在于超富營(yíng)養(yǎng)化和富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中,滆湖3種湖區(qū)樣品中未發(fā)現(xiàn)膦酸鹽。

通過(guò)主成分分析(PCA)法(采用正交變換方法將高緯數(shù)據(jù)映射到低緯來(lái)降低特征難度),對(duì)有機(jī)磷分級(jí)方法提取得到的磷形態(tài)與液相31P-NMR分析得到的磷組分之間關(guān)系進(jìn)行分析。PCA分析法共提取出2個(gè)主成分,其方差總和為70%。由圖6可知,磷酸二酯、焦磷酸鹽與多聚磷酸鹽處于同一象限,相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值較好地代表了PC2,該部分含磷化合物在圖6上靠近有機(jī)質(zhì)(OM),說(shuō)明有機(jī)質(zhì)對(duì)該部分產(chǎn)生較大貢獻(xiàn)。磷酸單酯、NaHCO3-P、NaOH-P提取磷〔胡敏酸(HA)、富里酸(FA)〕在圖6上更接近于31P-NMR測(cè)定的正磷酸鹽,表明該部分與正磷酸鹽具有較好的結(jié)合相。PC1貢獻(xiàn)率為40.2%,其中殘?jiān)鼞B(tài)磷有較高的正載荷,而在垂直梯度上,殘?jiān)鼞B(tài)磷含量與有機(jī)質(zhì)含量呈相反趨勢(shì),這說(shuō)明PC1可能主要源于有機(jī)質(zhì)的分解[24]。PC2貢獻(xiàn)率為29.8%,其中正磷酸鹽有較高的正載荷,相對(duì)而言，磷酸二酯、焦磷酸鹽、多聚磷酸鹽和殘?jiān)鼞B(tài)磷有較高的負(fù)載荷,因此PC2可能主要源于磷酸二酯、焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽的分解[25]。雖然殘?jiān)鼞B(tài)磷也有較高的負(fù)載荷,但由于殘?jiān)鼞B(tài)磷與礦物質(zhì)牢固結(jié)合,極難釋放,因此可視為非生物活性磷[16],對(duì)正磷酸鹽沒(méi)有貢獻(xiàn)[26]。

圖6 磷形態(tài)分級(jí)和液相31P-NMR技術(shù)測(cè)定各形態(tài)磷含量的主成分分析

3 結(jié)論

(1) 滆湖沉積物有機(jī)質(zhì)含量由表層至底層顯著降低,且各個(gè)不同生態(tài)類型湖區(qū)有機(jī)質(zhì)含量從大到小依次為漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)、入湖河口區(qū)和草型湖區(qū)。

(2) 可提取有機(jī)磷形態(tài)含量從大到小依次為殘?jiān)鼞B(tài)磷、鈣結(jié)合態(tài)有機(jī)磷(HCl-Po)、鐵鋁結(jié)合態(tài)有機(jī)磷(NaOH-Po)和弱吸附態(tài)有機(jī)磷(NaHCO3-Po),在垂直方向上,NaHCO3-Po和NaOH-Po含量隨深度增加而逐漸減少,表現(xiàn)為表層>中層>底層的趨勢(shì),殘?jiān)鼞B(tài)磷含量隨著深度的增加而逐漸升高。通過(guò)與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),兩者存在顯著相關(guān)性(P<0.05),這表明有機(jī)質(zhì)對(duì)有機(jī)磷產(chǎn)生了絕大部分貢獻(xiàn)。

(3) 沉積物中分子形態(tài)生物有效性磷共有正磷酸鹽、磷酸單酯、磷酸二酯、焦磷酸鹽和多聚磷酸鹽5種,其中以無(wú)機(jī)形態(tài)正磷酸鹽為主,平均含量超過(guò)70%,磷酸單酯是有機(jī)磷中的主要成分,且表現(xiàn)出隨深度增加而降低趨勢(shì)。磷酸二酯受環(huán)境因素影響較大,在不同生態(tài)類型湖區(qū)含量和分布顯著不同。