太湖不同生态型湖区悬浮颗粒磷空间分布和降解速率

张毅敏,王 宇,杨 飞,何 东,陈 桐,丁轶睿,晁建颖*



太湖不同生态型湖区悬浮颗粒磷空间分布和降解速率

张毅敏1,2,王 宇1,杨 飞2,何 东2,陈 桐1,丁轶睿1,晁建颖2*

(1.常州大学环境与安全工程学院,江苏 常州 213164；2.环境保护部南京环境科学研究所,江苏 南京 210042)

对太湖不同生态型湖区水体悬浮颗粒物含量,有机磷组成及降解特征进行分析,研究了富营养化湖泊颗粒磷性质及其对水体磷循环的影响.太湖颗粒P平均占水体TP浓度的75.86％;不同生态类型湖区间颗粒物性质差异明显,河口区和湖心区的颗粒物含量高于藻型湖区和草型湖区,但颗粒物有机质比例分布却相反.利用31P液相核磁共振法(31P-NMR)发现太湖悬浮颗粒P的成分包括,正磷酸盐,磷酸单酯,磷酸二酯,焦磷酸盐和多聚磷酸盐6类,含量分别为1.06%,50.99%,33.02%,2.48%,10.68%和3.80%.不同生态型湖区之间颗粒P组成差异明显,河口区正磷酸盐含量最高,达到82.57%,藻型湖区和湖心区颗粒有机磷比例最高,分别达到达到 64.02%和63.95%;颗粒物焦磷酸盐和多聚磷酸盐可能以藻源性颗粒物来源为分别与Chla浓度呈显著相关(<0.05;<0.01).颗粒态生物可利用性磷(PEHP)与正磷酸盐显著相关(<0.05),说明颗粒物正磷酸盐是颗粒物生物可利用性磷的重要来源.太湖PEHP降解速率平均为47.3min,PEHP占水体生物可利用磷(EHP)的65.16%,说明颗粒P是水体溶解性反应磷(SRP)补充的重要来源.

太湖；颗粒物；有机磷；31P-NMR；降解速率

生物有效性和生物生长的关键过程.我国近海水体及浅水湖泊中颗粒磷(PP)占到总磷(TP)的50%以上,太湖梅梁湾甚至达到90%以上[1-3],而太湖水体PP中42%~69%为颗粒态有机磷(POP)[4],北太平洋表层水中POP则超过80%[5],因此POP是水体中磷(P)的重要存在形式.富营养化水体中,藻类等有机体本身做为重要的颗粒有机物(POM)来源[6],其死亡分解也伴随着SRP的释放,可能对水华的爆发程度和周期有重要的影响[7].但是目前对水体POP的研究尚不多见,尤其是对POP种类组成,降解速率,迁移转化和归趋过程的研究不多.

31P液相核磁共振(31P-NMR)是一种高灵敏,且不会破坏P种类的方法[8].目前使用31P-NMR技术已经发现了多种P形态的存在,包括膦酸酯,正磷酸盐,磷酸单酯,磷酸二酯,焦磷酸盐和多聚磷酸盐[8-9].基于31P-NMR的分析结果,能够发现更多关于水中P循环的信息.首先,不同来源的OP组成存在显著差异,如水体表层悬浮物与沉积物之间,以及不同深度的沉积物之间,各种类P在含量与存在比例之间都是不同的[10];其次,不同形态OP的降解特征存在差异,如磷酸二酯中RNA,磷脂稳定性低,易被细菌等微生物分解为磷酸单酯[11],而磷酸单酯,磷酸二酯相对焦磷酸盐和多聚磷酸盐稳定,较难分解[12].虽然31P- NMR技术已经应用超过20年,但目前国内外多用于水体沉积物[13-15]的研究,少量用于水体悬浮颗粒物的研究也多集中在河流与海洋中[5,16],而国内对大型浅水富营养化湖泊悬浮性颗粒物的相关研究尚不多见[13,16-17].

太湖作为我国第三大淡水湖,是一个典型的大型浅水湖泊[18],近年来水体严重富营养化,夏秋季节蓝藻水华频繁爆发.本文通过31P- NMR方法检测了太湖不同生态类型水体中PP的组分及其空间分布状况,分析,磷酸酶活性(APA)和水体中可酶解磷(EHP)等的测定,计算了太湖各湖区水体中P的降解速率,探讨了生态系统结构差异对水体POP种类,降解速率等的影响,以及POP对水体SRP再生的贡献潜力等,以期为水华爆发机理研究提供基础数据.

1 材料与方法

1.1 样点布置与水样采集

特别是营养盐分布[19-20]及水生植物生长状况[21-22]的不同,选择了4个生态类型湖区做为研究对象,共设置了12个采样点,包括藻型湖区(1#,2#,3#),湖心区(4#,5#,6#),河口区(7#,8#,9#),草型湖区(10#,11#, 12#)(图1).2014年11月,对太湖各湖区点位进行采样,用3L有机玻璃采水器采集各样点表层水样(约水面下50cm)10L,至于预先经酸及75％乙醇洗涤过的塑料桶内,运回太湖湖泊生态系统研究站(TLLER)实验室.在采样现场用YSI测定表层水体水温,pH值,浊度,溶解氧等指标,用塞式透明度盘测定水体透明度(SD).

1.2 测试参数及方法

1.2.1 水质指标测试 叶绿素a(Chla),总磷(TP),总氮(TN),溶解性总磷(TDP),溶解性总氮(TDN),磷酸根(SRP)等指标参照《湖泊富营养化调查规范(第二版)》[23]的方法,在实验室测得.

1.2.2 颗粒物收集 (1)取8张whatman(GFF)滤膜,经450℃灼烧后,将各点位采集来的水样分别经过滤尽可能多的水样,分别记录过滤体积.取6张膜在-50℃条件下冻干后,将膜剪碎,用于31P液相核磁共振的测定,取1张滤膜(过滤前称重)在105℃经4h烘干再称重,然后经550℃灼烧5h再称重,分别测定固体悬浮颗粒(SS)和颗粒态有机质(POM)含量[24],取1张滤膜用于颗粒物碳,氮的测定.(2)将1L水样经4℃条件下以4000r/min离心15min,收集离心管中的颗粒沉淀物,用灭菌的纯净水再悬浮并稀释至原水浓度,得到颗粒物水样,用于颗粒物APA,Km,Vmax,EHP等的测定.

1.2.3 颗粒态C、N、P含量(TPC,TPN,TPP)测试 TPC,TPN过滤在whatman(GFF,ø47mm)膜上,用元素分析仪直接测定.TPP测定采用2张聚醚砜膜分别过滤25mL的水样,取其中一张膜用氧化剂消解后紫外分光光度计比色测定即为颗粒态总磷(total particulate phosphorus,TPP);另外一张膜在1mol/L的盐酸中浸泡24h,其间晃动4次以上,离心后测定PO43－浓度即为颗粒态无机磷(particulate inorganic phosphorus,PIP)[25],两者相减即为颗粒态有机磷(particulate organic phosphorus,POP).

1.2.4 碱性磷酸酶活性(APA)及最大反应速率(max)测试 本实验以硝基苯磷酸二钠(p-NPP)为底物测定APA和max,取2mL原水或颗粒物稀释水样,加入1mL浓度为0.1mol/L的Tris(缓冲液,pH值为8.4左右),设置p-NPP为0~3mmol,取8个反应浓度,30℃温度下避光培养6h,然后加入0.5mL浓度为0.1的NaOH终止反应进程,培养液经5000r/min离心10min,测量410nm波长处吸光值,计算原水和颗粒水的APA[26],并利用米氏方程(Michaelis-Menten Equation)计算碱性磷酸酶最大反应速率max.

1.2.5 生物可利用性磷测试 本研究以可酶解磷做为水体生物可利用性磷的替代指标.取100mL水样放入带塞,灭菌的玻璃瓶中,加入1mL1mol/L Tris 缓冲溶液,5mL氯仿,30℃温度下放置4d,每天摇匀两次.比色法测定处理前后水体中PO43-的浓度差,即为水样中EHP的含量[27].分别测出原水可酶解磷(TEHP)和颗粒物可酶解磷(PEHP).

1.2.631P液相核磁共振(31P-NMR)测试 颗粒物样品采用0.25mol/L的NaOH和0.05mol/L的EDTA的混合试剂在常温下恒温震荡16h提取颗粒态磷;为确保获得足够量的磷,一张滤膜上的颗粒物对应5mL提取液;提取后一部分提取液用于测定总磷,剩余部分经-50℃冷冻干燥48h;浓缩的样品上机测试前样品储存在-20℃环境下保存;上机测试前浓缩样品加入加入0.5mL浓度为1mol/L的NaOH溶液,在10000r/min,-4℃条件下离心15min,以确保测试液中没有悬浮颗粒物;每份样品中加入0.1mL重水(氘代试剂),来锁定峰场;磷谱的测定环境如下:采用BRUKER AV600型号, BRUKER标准腔5mm的BBO探头,磷谱的脉冲为12.0usec,脉冲功率为3.0db,共振频率202.46MHz.循环延迟为2s,扫描2万次,持续时间大约16h.所有磷谱化学位移均参照85%的正磷酸,所获得的峰值参照已发表文献确定不同化学位移磷的组成[28-29],计算样品中不同组分有机磷的含量.

1.3 数据处理与分析

本实验数据分析采用SPSS 17.0统计软件,作图使用origin 9.0软件.

2 结果与讨论

2.1 各生态型湖区水体及颗粒物基本化学性质分布

太湖4种生态类型湖区水体水化学指标分布上差异较明显(表1,图2),其中4个湖区中TN, TDN呈极显著差异(<0.001,Oneway ANOVA), TP,pH值呈显著性差异(<0.05,).从水体营养盐浓度来看,各湖区TN平均为1.93mg/L,空间分布上呈现河口区>湖心区>藻型区>草型区的趋势;各湖区TP均值为0.25mg/L,分布趋势与TN相同.河口区氮磷含量较高,且较2009年有明显升高[30],说明太湖入湖河流输入仍然十分严重,东部太湖的草型湖区水质则最好,本实验结果与现有研究一致[31].整体上Chla平均浓度为22.70ug/L,各湖区Chla浓度呈现出湖心区>藻型湖区>河口区>草型区的趋势.夏季太湖蓝藻水华爆发严重的藻型湖区Chla浓度均值仅为24.87mg/L,低于湖心区,这说明藻型区秋季水华爆发已经明显减少.一般来讲,太湖梅梁湾水华较湖心严重,但是本研究结果显示在本次采样中湖心区Chla浓度高于藻型湖区,一方面可能与本实验为秋季采样,温度已经降至12℃左右,太湖水华总体上处于降解与消亡阶段有关;另一方面,湖心区Chla浓度最高,可能是蓝藻水华上浮后随风浪迁移的结果[32].

表2为4种生态类型湖区水体悬浮颗粒物营养盐含量分布.太湖水体中颗粒态营养盐含量分布趋势与水体营养盐类似,SS,POM均呈现河口区>湖心区>藻型区>草型区的趋势.太湖悬浮颗粒物有机质含量比重(POM/SS)平均为32.36%,与张运林等[33]的研究结果(30%)相似,且呈现出藻型湖区(40.67%)>草型湖区(35.14%)>湖心区(29.33%)>河口区(24.30%)的趋势.可见虽然河口区和湖心区颗粒物含量高,但是以陆源输入或者沉积物再悬浮输入的无机颗粒物为主,而藻型湖区和草型湖区颗粒物可能以藻源性的颗粒物为主,其有机质要高于河口区和湖心区,POP也呈现出相似的趋势.以上结果说明,颗粒物的来源和生态系统差异可能对颗粒物性质有显著影响.

各湖区TPC含量在1.45~9.63mg/L之间,平均为6.04mg/L,不同生态类型湖区之间的浓度分布趋势为湖心区>河口区>藻型区>草型区.湖心区TPC浓度最高,可能由于湖心区受风浪扰动相对较剧烈,产生较多由沉积物再悬浮形成的悬浮性颗粒物[34]所导致.各湖区TPN在0.26~ 1.64mg/L之间,平均为0.75mg/L,平均占水体TN的44.07%,趋势为藻型区>湖心区>河口区>草型区含量在0.02~0.24mg/L之间,平均为0.10mg/L,不同生态类型湖区之间的浓度分布趋势为河口区>湖心区>藻型区>草型区.河口区TPP变化范围在0.10~0.24mg/L之间,含量为四类湖区最高,可能与河口区接纳了较多的陆源性颗粒物有关.从本实验的研究结果来看,TPP/TP在49.67%~84.72%之间变化,平均为75.86%,水体中TPP是TP的主要组成部分.太湖TPP/TP空间分布趋势为湖心区>河口区>草型区>藻型区,湖心区最高,藻型区最低.以上空间分布可能由于湖心区风浪扰动引起的沉积物再悬浮量高导致,而河口区虽然颗粒物浓度均值最高,但是同时水体中溶解态磷浓度也较高,所以其TPP/TP低于湖心区;藻型区则随着藻类的消亡导致TPP逐渐转化为SRP而减少.

表1 太湖各湖区水体基本理化指标 Table 1 Water quality indices of different zones in Taihu

2.2 各生态型湖区颗粒有机磷种类及分布特征

如图3所示,经31P-NMR检测,本次实验中所得P的信号带在(25~-25)´10-6之间,与前人的研究结果相同[35].从图3和表3可以看出,实验中悬浮颗粒物样品中测得的磷种类分别有膦酸酯(20´10-6),正磷酸盐[(5~7)´10-6],磷酸单酯[(3~6)´10-6],磷酸二酯[(2.5~-1)´10-6],焦磷酸盐[(-4~-5)´10-6]和多聚磷酸盐(-20´10-6).整体来看,太湖PP所包含的各种磷组分中,正磷酸盐含量最高,平均为50.99%,除正磷酸盐被认为是无机磷外,其他组分一般认为是生源性的有机磷,由高到低依次为磷酸单酯33.02%,焦磷酸盐10.68%,多聚磷酸盐3.80%,磷酸二酯仅在藻型区和草型区发现,平均为2.48%,膦酸酯仅在湖心区的5#,6#及河口区的8#发现,平均为1.06%.其正磷酸盐(48.2%)与焦磷酸盐(10.3%)含量与太湖相近,同时含有较高的磷酸二酯(15.2%)与较低的多聚磷酸盐(0.6%),只是未检测出膦酸酯[13].其POP组分种类和各组分含量与太湖相似,说明浅水型富营养化湖泊在POP的种类组成和含量上具有一定相似度,但其与富营养化状态的关系还有待于深入研究.

太湖不同湖区之间有机磷种类与含量存在着明显差异.颗粒物正磷酸盐是颗粒态磷中含量最高的组分,平均含量为50.99%,空间分布趋势为河口区(82.57%)>草型区(49.37%)>湖心区(36.05%)>藻型区(35.98%).外源输入可能是造成河口区水体颗粒物正磷酸盐含量比例高的重要原因.现有研究显示,人造湖体和受人为影响较大的河流中,其沉积物中正磷酸盐含量较高,如太湖流域滆湖为74%~82%,北京城市人工湖为67.5%~88.6%[36];在水体悬浮颗粒物中也超过71%[15-16];而对于人为干扰少,生态系统稳定的湖泊与海洋中,其含量在30%~60%之间[10,14],河口区突出的环境特征是受外源输入影响显著,太湖流域地处经济发达的长三角地区,湖泊水体受到人类活动的强烈干扰,而入湖河流又是人类活动影响湖泊环境最剧烈的区域,因此正磷酸盐含量较高.

磷酸单酯在悬浮颗粒物有机磷中含量最高,平均为33.02%,分布趋势为湖心区(40.36%)>草型区(39.61%)>藻型区(39.11%)>河口区(12.99%).此外如Bai等[37]发现太湖沉积物中正磷酸单酯含量为37.70%,美国Menterey bay为26%~ 31%[10],均为最高的有机磷组分.原因可能是:一方面,磷酸单酯稳定性较磷酸二酯,焦磷酸盐和多聚磷酸盐等有机磷高[12];另一方面,由于磷酸二酯不稳定,在样品运保存或提取的过程中,部分RNA和卵磷脂会水解为磷酸单酯[11,29],因而导致了磷酸单酯的含量升高.由于磷酸单酯含量较高,当环境中出现P供给不足时,磷酸单酯会在磷酸单酯酶如碱性磷酸酶的作用下矿化降解成SRP,这一过程可能是水体磷循环再生的最重要调控环节[38].

太湖水体悬浮颗粒物磷酸二酯含量较低,本次实验仅在藻型区和草型区检出,两种类型湖区的含量百分比分别为1.57%和3.39%.现有研究显示,水体或者沉积物中的正磷酸二酯主要包括DNA,RNA和磷脂等,通过磷酸化降解过程可能产生正磷酸单酯,包括核苷酸,纤维糖类等[10,28].从来源上看,磷酸二酯可能由大型水草,藻类以及细菌产生,也可能由外源排放所致[39].磷酸二酯稳定性较差,在好氧环境下容易被细菌和酶矿化,有研究显示,几乎所有的RNA与部分磷脂会降解为正磷酸单酯[11],所以磷酸二酯是水体中正磷酸盐的重要来源[40].太湖为典型的浅水湖泊,受风浪扰动等影响较为频繁,水体含氧量一般较高,颗粒物磷酸二酯在高溶氧的环境中可能会被迅速降解,这可能是太湖磷酸二酯含量低的主要原因.

表3 各湖区点位颗粒物磷种类组成及含量(%) Table 3 Phosphorus species and ratios determined by31P-NMR spectroscopy(%)

注:n.d.表示未检测出.

表4 颗粒磷组分与主要参数相关性分析 Table 4 Correlation analysis of particulate P and main parameters

注:**表示<0.01,*表示<0.05,=12.

颗粒物焦磷酸盐和多聚磷酸盐二者平均含量分别为10.68%和3.80%,且空间分布类似.其中焦磷酸盐含量趋势为藻型区(17.86%)>湖心区(14.65%)>草型区(6.34%)>河口区(3.84%),多聚磷酸盐含量趋势为湖心区(7.92%)>藻型区(5.48%)>草型区(1.24%)>河口区(0.56%).焦磷酸盐和多聚磷酸盐是生物代谢的重要产物,在水体中活性高,易直接被浮游植物及细菌等生物体利用[41],虽然浓度并不高,却可能是藻类爆发的重要影响因子.两者一共占水体颗粒有机磷的27.90%,其中藻型湖区和湖心区含量最高,约为35.21%.相关性分析显示,颗粒物焦磷酸盐和多聚磷酸盐与水体Chla浓度呈显著正相关关系(表4),说明太湖颗粒态焦磷酸盐和多聚磷酸盐可能多存在于藻细胞或者其残体内.有相关研究也显示,多聚磷酸盐多存在浮游植物及细菌体内[42],这与本实验研究结果一致.另外有研究显示,焦磷酸盐通过工业废水,生活污水和化肥径流等方式排入水体[43],这与本研究结果存在明显差异.本研究中受人为活动影响最大的应该是河口区,但是其焦磷酸盐和多聚磷酸盐含量最低;而含量最高的藻型湖区和湖心区颗粒物多为生源性颗粒物及其降解产物,外源输入的影响低于河口区,这说明太湖水体颗粒态焦磷酸盐和多聚磷酸盐受人类活动影响较小.

太湖各生态类型湖区点位膦酸酯含量都很低,本实验样品仅有湖心区5#,6#和河口区10#有检出,其中湖心区5#,6#含量不足颗粒磷的1.6%,河口区10#含量则不足0.1%,而Chenjing[15], Joakim等[44]均未在沉积物中发现膦酸酯.一方面,膦酸酯可能是在较长时间的好氧环境下,由蓝藻和原生生物的代谢产物形成[11,13];另一方面,也可能由农业引起的面源污染而导致增加[45].相比磷酸单酯和正磷酸盐而言,通常膦酸酯含量较低,传统观点认为其在化学结构上有直接连接的C-P键,化学性质较稳定[46],参与水体磷循环的程度小.但是,现在也有研究表明藻类也可以对其进行利用[47-48].总体上来讲,太湖膦酸酯浓度极低,参与水体P循环的程度极小.

2.3 各生态型湖区颗粒磷的降解特征

图4为太湖各湖区水体和颗粒物APA,颗粒物碱性磷酸酶最大反应速率(max).原水APA平均为1.87mmol/(L·h),分布趋势为草型区>藻型区>河口区>湖心区,但是不同湖区间差异不显著.路娜等[49]对太湖初春(4月)酶活情况做了研究,结果表明太湖整体APA平均不足0.88mmol/(L·h),整体低于本次研究,且分布趋势为河口区>湖心区>草型区>藻型区,与本研究不同,一方面可能与季节有关,4月份温度也处于较低水平,藻类还未大量生长,而11月虽然温度较低,但是残存藻类依然保持一定的生物量,从而提升了水体APA;另一方面,本次实验结果显示,河口区SRP浓度最高,这也可能是导致河口区APA低的重要原因.太湖颗粒APA平均为1.41mmol/(L·h),占原水APA的75.41%,其中河口区颗粒APA最高,均值为mmol/(L·h),草型区最低,均值为mmol/(L·h),分布趋势为河口区>藻型区>湖心区>草型区.

颗粒物max分布与颗粒APA分布相同,也为河口区最高,为1.mmol/(L·h),草型区最低,为1.46mmol/(L·h).一般认为,水体碱性磷酸酶是一种磷酸根诱导酶,当水体磷酸根浓度低时,会诱导微生物分泌释放碱性磷酸酶,提高水体有机磷的降解速率,有研究显示,当太湖水体中SRP< 0.02mg/L时,将会明显促进碱性磷酸酶活性的增加[50],而当水体磷酸根过高时则会抑制碱性磷酸酶活性.但是影响水体碱性磷酸酶活性的因素是十分复杂的,如有研究显示正磷酸盐浓度高达0.32mg/L时也未表现出对APA的抑制[51].本研究结果还显示,颗粒APA分布趋势与原水APA分布趋势并不一致,说明不同湖区间碱性磷酸酶的来源可能存在差异,从而导致其反应动力学特征的不同[52].

图5为各采样点位水体EHP和颗粒态EHP浓度及降解时间.实验结果显示,各湖区PEHP含量平均为0.04mg/L,分布趋势为河口区>湖心区>藻型区>草型区,其中河口区为0.05mg/L,草型湖区为0.01mg/L.占PP总量的37.30％,占TEHP的65.16%,说明颗粒物是水体生物可利用性P的重要来源.各湖区PEHP/TEHP最高为藻型区(75.27%),最低为草型区(50.27%),说明藻型湖区颗粒物的生物可利用性最高,草型湖区最低.藻型湖区颗粒物以藻源性颗粒物为主,草型湖区以植物碎屑为主,说明藻源性颗粒物生物可利用性明显高于植物碎屑.PEHP与颗粒物正磷酸盐含量呈显著正相关(=0.581,<0.05),与磷酸单酯呈极显著负相关(=-0.761,<0.01),说明颗粒物正磷酸盐可能是颗粒物生物可利用性磷的重要来源,而磷酸单酯的生物可利用性较低.但是,31P-NMR测试结果显示磷酸单酯是颗粒有机磷的最重要组成部分,可见碱性磷酸酶在研究磷酸单酯降解乃至水体颗粒有机物降解中发挥着着十分重要的作用.

PEHP降解时间为13.8~113.3min,平均降解时间为47.3min,各湖区之间PEHP降解时间趋势为河口区>湖心区>藻型区>草型区,河口区降解时间最长,为69.6min,草型湖区降解时间最快,为15.4min.可能由于河口区颗粒态营养盐浓度较高,PEHP浓度较高,导致PEHP降解时间较长;而草型区PEHP浓度较低,但是全湖的APA差别不大,导致其PEHP降解较快.以上结果说明,在太湖这样的富营养化浅水湖泊中,颗粒物APA较高,生物可利用性较高,颗粒物潜在释放SRP的能力较大,POP可以通过水体酶系统或者微生物等作用快速降解,从而在蓝藻生长和水华爆发过程中迅速补充水体SRP亏空.

3 结论

3.1 太湖不同生态类型湖区间水体颗粒物基本化学性质差异明显,颗粒P含量呈现河口区>湖心区>藻型区>草型区趋势,颗粒P平均占水体TP浓度的75.86%.颗粒物有机质含量,营养物含量等受生态系统影响显著.

3.231P-NMR检测显示太湖水体颗粒物P共6种:膦酸酯,正磷酸盐,磷酸单酯,磷酸二酯,焦磷酸盐以及多聚磷酸盐.各湖区颗粒物中,正磷酸盐含量最高,占总检出P的50.99%;有机磷中磷酸单酯的含量最高,占总检出P的33.05%.不同生态系统间颗粒磷种类组成存在显著差异,受人类活动影响明显的河口区颗粒物磷酸盐含量较高,颗粒物藻源性特征明显的区域,颗粒物焦磷酸盐和多聚磷酸盐含量较高.

3.3 太湖水体颗粒态APA较高,均值为1.41umol/(L·h),其中河口区最高,草型区最低.颗粒态EHP含量平均为0.04mg/L,降解速率平均为47.3min,快于水体EHP的降解速率,且平均颗粒态EHP占颗粒P总量的37.30％,占水体EHP的65.16%,说明颗粒P是水体SRP补充的重要来源.

陈水土,阮五崎.九龙江口、厦门西海域磷的生物地球化学研究 [J]. 海洋学报, 1993,15(6):47-54.

汪 明,武晓飞,李大鹏,等.太湖梅梁湾不同形态磷周年变化规律及藻类响应研究 [J]. 环境科学, 2015,36(1):80-86.

王红军.太湖溶解态磷的分布特征及其形态研究 [D]. 南京:南京大学, 2011.

罗 军,王晓蓉,杨 翃,等.太湖梅梁湾上空颗粒态磷浓度2003年春季的变化 [J]. 湖泊科学, 2005,17(2):151-156.

Yoshimura T, Nishioka J, Saito H, et al.Distributions of particulate and dissolved organic and inorganic phosphorus in North Pacific surface waters [J]. Marine Chemistry, 2007,103(1): 112-121.

Guinder V A, Popovich C A, Perillo G M.Particulate suspended matter concentrations in the Bahía Blanca Estuary, Argentina: Implication for the development of phytoplankton blooms [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2009,85(1):157-165.

朱丽萍,高 光,汤祥明,等.微囊藻水华期间水体及藻体上细菌的动态 [J]. 湖泊科学, 2009,21(3):395-400.

Cade-Menun B J.[J]. Talanta, 2005,66(2):359-371.

Hupfer M, Rube B, Schmieder P.Origin and diagenesis of polyphosphate in lake sediments: A 31P-NMR study [J]. Limnology and Oceanography, 2004,49(1):1-10.

Paytan A, Cade-Menun B J, McLaughlin K, et al. Selective phosphorus regeneration of sinking marine particles: evidence from 31P-NMR [J]. Marine Chemistry, 2003,82(1):55-70.

Carman R, Edlund G, Damberg C. Distribution of organic and inorganic phosphorus compounds in mrine and lacustrine sediments: a 31NMR study [J]. Chemical Geology, 2000,163(1):101-114.

Reitzel K, Ahlgren J, DeBrabandere H, et al. Degradation rates of organic phosphorus in lake sediment [J]. Biogeochemistry, 2007, 82(1):15-28.

Shinohara R, Imai A, Kawasaki N, et al.Biogenic phosphorus compounds in sediment and suspended particles in a shallow eutrophic lake: A 31P-nuclear magnetic resonance (31P NMR) study [J]. Environmental Science & Technology, 2012,46(19): 10572-10578.

Ahlgren J, Reitzel K, Danielsson R, et al.Biogenic phosphorus in oligotrophic mountain lake sediments: Differences in composition measured with NMR spectroscopy [J]. Water Research, 2006, 40(20):3705-3712.

Zhang Y M, Chen J, Gao Y X, et al. Characteristics of Organic Phosphorus in a Shallow Lake Gehu investigated by Sequential Fractionation and 31P-NMR Technicals [A]. Advanced Materials Research [C]. Trans Tech Publ, 2014:3529-3539.

Cade-Menun B J, Navaratnam, J A Walbridge M R. Characterizing dissolved and particulate phosphorus in water with 31P nuclear magnetic resonance spectroscopy [J]. Environmental Science & Technology, 2006,40(24):7874-7880.

孙金华.太湖水体有机磷组成空间分布及与水环境关系 [D]. 开封:河南大学, 2013.

Qin. B Lake Taihu, China: Dynamics and environmental change [M]. Springer Science & Business Media, 2008.

袁和忠,沈 吉,刘恩峰,等.太湖水体及表层沉积物磷空间分布特征及差异性分析 [J]. 环境科学, 2010,31(4):954-960.

邓建才,陈 桥,翟水晶,等.太湖水体中氮,磷空间分布特征及环境效应 [J]. 环境科学, 2008,29(12):3382-3386.

李继影,吴昕贤,徐恒省,等.太湖大型水生植物的现状与管理研究 [J]. 环境科学与管理, 2014,39(3):118-120.

周 毅,石建华,钱 伟,等.太湖藻类分布及其对鱼类的毒性试验 [J]. 江苏农业科学, 2013,41(4):311-313.

金相灿,屠清瑛.湖泊富营养化调查规范 [M]. 北京:中国环境科学出版社, 1990.

Herndl G J.Ecology of amorphous aggregations(marine snow) in the northern Adriatic Sea. 2. Microbial density and activity in marine snow and its implication to overall pelagic processes [J]. Marine ecology Progress Series. Oldendorf, 1988,48(3):265-275.

Aspila K, Agemian H, Chau A. A semi-automated method for the determination of inorganic, organic and total phosphate in sediments [J]. Analyst, 1976,101(1200):187-197.

黄清辉,王东红,马 梅,等.沉积物和土壤中磷的生物有效性评估新方法 [J]. 环境科学, 2005,26(2):206-208.

Chrost R J, Siuda W, Albrecht D, et al. A method for determining enzymatically hydrolyzable phosphate (EHP) in natural waters1 [J]. Limnology and Oceanography, 1986,31(3):662-667.

Turner B L, Mahieu N, Condron L M.Phosphorus-31nuclear magnetic resonance spectral assignments of phosphorus compounds in soil NaOH–EDTA extracts [J]. Soil Science Society of America Journal, 2003,67(2):497-510.

王晓钧,丁士明,蒋海青,等.湖泊磷的核磁共振(NMR)分析—1环境标准样品的31P-NMR表征 [J]. 湖泊科学, 2008,20(1): 45-50.

袁和忠,沈 吉,刘恩峰.太湖不同湖区沉积物磷形态变化分析 [J]. 中国环境科学, 2010,30(11):1522-1528.

曾庆飞,谷孝鸿,周露洪,等.东太湖水质污染特征研究 [J]. 中国环境科学, 2011,31(8):1355-1360.

邓建才,刘 鑫,张洪梅,等.太湖藻类水平漂移特征及其影响因素 [J]. 湖泊科学, 2014,26(3):358-364.

张运林,秦伯强,陈伟民,等.太湖水体中悬浮物研究 [J]. 长江流域资源与环境, 2004,13(3):266-271.

晁建颖,高 光,汤祥明,等.生态系统结构对太湖有机聚集体理化性质的影响 [J]. 环境科学, 2009,11(30):3196-3202.

Cade-Menun B, Preston C.A comparison of soil extraction procedures for 31P NMR spectroscopy [J]. Soil Science, 1996,161(11):770-785.

Liu, J Wang H, Yang H, et al. Detection of phosphorus species in sediments of artificial landscape lakes in China by fractionation and phosphorus-31nuclear magnetic resonance spectroscopy [J]. Environmental Pollution, 2009,157(1):49-56.

Bai X, Ding S, Fan C, et al.Organic phosphorus species in surface sediments of a large, shallow, eutrophic lake, Lake Taihu, China [J]. Environmental Pollution, 2009,157(8):2507-2513.

Reichardt W. Catalytic mobilization of phosphate in lake water and by Cyanophyta [J]. Hydrobiologia, 1971,38(3/4):377-394.

Turner B L, Papházy M J, Haygarth P M, et al.Inositol phosphates in the environment [J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2002,357(1420):449-469.

Watts E, Dean P, Martin R. 31P nuclear magnetic resonance study of sediment microbial phospholipids [J]. Canadian Journal of Analytical Sciences and Spectroscopy, 2002,47(5):127-133.

张文强,单保庆.基于液相~(31)P核磁共振(NMR)技术的巢湖沉积物中有机磷形态研究 [J]. 环境科学学报, 2013,7(1):1967-1973.

Kittredge J S, Roberts E. A carbon-phosphorus bond in nature [J]. Science, 1969,164(3875):37-42.

Sundareshwar P, Morris J, Pellechia P, et al. Occurrence and ecological implications of pyrophosphate in estuaries [J]. Limnology and Oceanography, 2001,46(6):1570-1577.

Ahlgren J, Tranvik L, Gogoll A, et al. Sediment depth attenuation of biogenic phosphorus compounds measured by 31P NMR [J]. Environmental Science & Technology, 2005,39(3):867-872.

Read E K, Ivancic M, Hanson P, et al. Phosphorus speciation in a eutrophic lake by 31P NMR spectroscopy [J]. Water Research, 2014,62:229-240.

Clark L L, Ingall E D, Benner R. Marine phosphorus is selectively remineralized [J]. Nature, 1998,393(6684):426-426.

White A, Karl D, Björkman K, et al. Phosphonate metabolism by Trichodesmium IMS101 and the production of greenhouse gases [J]. Limnology and Oceanography, 2010,55(4):1755-1767.

Lipok J, Owsiak T, Młynarz P, et al. Phosphorus N M R as a tool to study mineralization of organophosphonates—The ability of Spirulina spp. to degrade glyphosate [J]. Enzyme and Microbial Technology, 2007,41(3):286-291.

路 娜,胡维平,邓建才,等.太湖水体中碱性磷酸酶的空间分布及生态意义 [J]. 环境科学, 2009,30(10):2898-2903.

高 光,高锡芸,秦伯强,等.太湖水体中碱性磷酸酶的作用阈值 [J]. 湖泊科学, 2000,12(4):353-358.

Reichardt W, Overbeck J, Steubing L. Free dissolved enzymes in lake waters [J]. Nature, 1967,216:1345-1347.

周易勇,武 汉,李建秋,等.东湖溶解态磷酸酶的活性,动力学特征及其空间分布 [J]. 环境科学, 1997,18(5):37-40.

致谢：本实验的采样和测试工作由中国科学院太湖湖泊生态系统研究站和薛静琛实验员协助完成,在此表示感谢.

* 责任作者, 助理研究员, 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,江苏丰县人,常州大学硕士研究生,主要从事湖泊水生态研究.

2015-12-09

国家自然科学基金项目(41301556);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101-007,2012ZX07101-011)