蓝藻降解过程中营养盐的释放特征分析

李国莲，袁志伟，朱曙光，谢发之

（安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601）

近年来，湖泊外源营养盐输入得到一定的控制，但湖泊水体富营养化仍未能有效改善[1]。有研究表明，正磷酸盐可被藻类和细菌直接利用，引起水体富营养化[2]，破坏水生生态系统平衡。蓝藻的累积及其磷、氮等营养物质的释放是水质恶化的主要原因[3]，在控制和减少外源磷输入后，内源磷循环被认为是引起湖泊富营养化的关键原因[4]，因此内源磷的地球化学循环已成为当前湖泊富营养化研究中的重要领域。蓝藻中含有大量有机磷和聚磷酸盐，其腐解过程中产生的溶解态有机磷（DOP）可以直接被浮游植物利用[5]；产生的颗粒态磷（PP）是湖水中总磷的一部分，可沉降到湖底并释放溶解态磷进入上覆水[6]，PP 也是维持浮游植物生长的磷源[7]。蓝藻聚集过程中磷酸盐（PO43--P）为溶解性磷的主要形态，且磷和藻源有机物均在6.5 d或9.5 d 内快速释放，而后降低并进入内源循环[8]。目前对蓝藻降解过程中营养盐释放的系统研究却鲜见报道，本研究系统分析不同水环境条件下蓝藻降解液中总溶解态磷（TDP）、颗粒态磷（PP）、正磷酸盐（PO43--P）、总溶解态氮（TDN）、氨氮（NH4+-N）、硝酸盐氮（NO3--N）以及pH 等理化参数的变化特征，对探索湖泊内源氮磷营养盐的迁移转化规律和富营养化湖泊的综合防治具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 实验设计

实验方案采用4 个6 L 的玻璃容器（直径150 mm，下部设置取样口）进行平行实验，实验前用超纯水润洗玻璃容器数遍，自然晾干备用。称取4 份50 g 离心后新鲜藻体（经镜检99%以上为微囊藻）加入玻璃容器内，分别加入各组实验用水，并标记最初液面位置，实验过程无外源营养盐加入。实验方案见表1，其中A、B 组将玻璃容器放置于通风处并进行光照，模拟蓝藻自然状态下的有氧降解；C、D 组用铝箔密封玻璃容器，进行遮光处理并放置在黑暗环境中，模拟蓝藻的缺氧降解。实验处于常温环境（25 ℃左右），每天中午12 时整从底部取样口采集水样。实验采用的湖水水质背景值如下：温度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 蓝藻降解实验方案

1.2 样品分析测试

将水样经0.45 μm 醋酸纤维滤膜过滤后进行各项指标测试。DO 采用便携式DO 水质分析仪测定；总氮（TN）、总磷（TP）分别使用碱性-过硫酸钾消解紫外分光光度法、过硫酸钾消解-钼酸盐分光光度法测定，溶解性总氮（TDN）、溶解性总磷（TDP）参照《水和废水监测分析方法》中TN、TP 测定方法；硝酸盐氮（NO3--N）、正磷酸盐（PO43--P）采用离子色谱法测定；氨氮（NH4+-N）采用纳氏试剂光度法测定；叶绿素a（Chl-a）用丙酮法提取测定[9-10]。

2 结果与讨论

2.1 蓝藻降解液中pH、DO 及叶绿素a 分析

由图1 可知，A、B 组实验初期叶绿素a 浓度较低，随着降解时间增加，含量值上升到最大值后呈现下降趋势。而水环境中pH值呈现小范围内波动，最终有小幅上升；DO 在降解过程中呈先增加后降低趋势。因此，pH、DO 及叶绿素a 含量变化表明，蓝藻在实验前期进行光合作用并保持良好的生长态势。A 组实验在第16 d 叶绿素a 含量达最大值1 020.3 μg/L，通过观察蓝藻出现轻度黄绿色，部分藻体下沉到底部，水体逐渐浑浊且悬浮物增多，之后含量持续下降。B 组实验中蓝藻可能利用自身储存的营养物质来维系生长，在第16 d 叶绿素含量达最大值790.8 μg/L 后呈下降趋势。实验进行第30 d 左右，A 组DO 浓度由初始值7.67 mg/L 降至4.72 mg/L，同时容器内出现大量黄褐色悬浮物，容器壁上残留部分蓝藻。实验结束时，蓝藻残体大部分沉降，DO 浓度开始回升至6.61 mg/L。由此可知，在光照条件下，蓝藻初期会进行光合作用，产生O2 和OH-，导致水体叶绿素a、DO 和pH 值上升；后期随着蓝藻降解，叶绿素a、DO 快速下降。

图1 蓝藻降解过程水体中pH、DO、叶绿素a 随时间变化

C、D 组处于完全封闭的黑暗环境，蓝藻主要利用水中DO 进行呼吸作用，因此C、D 组中DO 含量在第20 d 分别降到最低值0.89 mg/L、0.97 mg/L；水样中叶绿素a 含量也快速下降，在第7 d 叶绿素a分别降至127.9 μg/L、150.4 μg/L。有研究表明[11]，缺氧环境下，藻类在微生物作用下降解产生有机酸和CO2。由于微生物利用有机酸同时产生铵盐，溶液pH 上升，因此造成C、D 组水样pH 值变化。C组叶绿素a 降低速率比D 组快，是因为湖水中的微生物含量高，蓝藻降解快。由此可知，蓝藻在黑暗封闭环境中快速降解，并伴随藻类呼吸和微生物作用，水体叶绿素a、DO 和pH 显著下降。

2.2 蓝藻降解液中磷形态与含量分析

实验过程中磷营养盐含量变化如图2 所示。A组TDP 浓度初始值为0.81 mg/L，B 组TDP 浓度初始值为0.21 mg/L，实验初期两组TDP 含量略有下降，原因是蓝藻生长吸收水中磷所致。实验第15-30 d，A、B 组TDP 浓度显著提高，原因是在微生物作用下蓝藻降解，释放出溶解态磷进入水体[12]。C、D组TDP 浓度均呈先上升后下降趋势，实验前20 d，C、D 组TDP 增长速率分别高达0.21 mg/（L·d）、0.117 mg/（L·d），TDP 浓度在第20 d 分别达最大值3.60 mg/L 和3.12 mg/L，原因是随着蓝藻残体快速降解，蓝藻体内含磷物质被释放。随后C、D 组TDP 含量出现下降，观察发现蓝藻细胞残体沉积到容器底部或吸附于容器壁，C、D 组TDP 含量下降原因是蓝藻残体中储存磷营养盐未完全释放，有部分磷随着蓝藻残体沉积到容器底部和容器壁。

图2 蓝藻降解过程水体中TDP、PO43--P、PP 浓度随时间变化

四组实验中PO43--P 浓度在前15 d 均增长，幅度有所不同。有研究表明[13]，微囊藻残体先进行降解作用，成为0.45 μm 的胶体颗粒物。胶体颗粒物经过分解，成为溶解态磷，分解过程中会产生大量TDP 和PO43--P，合理解释了本实验A、B 组PO43--P 浓度变化。其中，A 组中PO43--P 浓度表现出波动上升，平均值约为0.40 mg/L；B 组与A 组前20 d 浓度变化情况相似，第20 d 后B 组PO43--P浓度高于A 组。C 组中前7 d PO43--P 浓度平均增长速率最大，第13 d 浓度达到最大值1.51 mg/L；D组前6 d 浓度平均增长速率最大，第20 d 浓度达到最大值1.39 mg/L。两组存在差异的原因是加入水源不同，导致微生物分解作用强弱不同。

A、B 组PP 浓度变化趋势差别较小，均呈现出上升后下降。因为蓝藻降解产生的颗粒物增加，PP浓度开始上升。C、D 组PP 浓度变化趋势均为持续下降，降解率为90%，原因是PP 在厌氧环境下部分转化为可溶态磷或快速降解沉降所致。

2.3 蓝藻降解液中氮形态与含量分析

蓝藻降解水中总溶解态氮（TDN）、氨氮（NH4+-N）及硝酸盐氮（NO3--N）的浓度变化如图3 所示。实验中A 组TDN 浓度前10 d 持续下降，第10 d TDN 浓度达到最低值5.1 mg/L 后，开始上升；B 组TDN 浓度在前10 d 表现为先上升后降低，在第10 d 浓度值下降至4.81 mg/L，随后再次上升，在第20 d 又降低，此时TDN 浓度值为7.06 mg/L。在第20 d 后TDN 浓度一直处于上升状态，直到实验结束。C、D 组TDN 浓度变化总体趋势均为先上升后下降，其中C、D 组均在第20 d 浓度达到峰值，分别为21.4 mg/L、20.68 mg/L，之后TDN 浓度均开始降低。实验过程中出现恶臭味，原因是C、D 组为避光封闭会形成缺氧环境，导致水体中有机氮发生氨化作用产生NH3[14]。A 组NH4+-N 浓度变化趋势为先下降后上升，其中实验第1～10 d 期间NH4+-N 浓度为持续下降，原因是蓝藻生长吸收水中的NH4+-N；B 组NH4+-N 浓度变化趋势为持续上升。李柯等[15]报道蓝藻分解过程中氮的两种主要释放途径分别是被细菌或浮游动物矿化形成NH4+-N 以及自溶产生溶解性有机（DON）；Dai等[16]研究也表明藻类死亡后，有机氮在微生物作用下会向无机氮转化。实验初期C、D 组NH4+-N快速增长，第20 d NH4+-N 浓度开始降低。此过程原因可能是蓝藻死亡后沉降，在微生物作用下有机物分解出NH4+-N 释放到水体中，NH4+-N 浓度增加；随后由于硝化作用NH4+-N 开始转化为NO3--N导致浓度降低。蒋小欣等[17]在文献中提到好氧状态下硝化细菌会进行硝化作用导致NH4+-N 浓度降低，印证了本实验过程中氮营养盐变化。

图3 蓝藻降解过程水体中TDN、NH4+-N、NO3--N 随时间变化

A 组NO3--N 浓度在前7 d 呈下降趋势，在第7 d 达到最低值0.84 mg/L。随后浓度开始上升，在第20 d 达到最大值1.26 mg/L 后继续下降；B 组NO3--N 浓度在第7 d 处于下降，浓度为0.6 mg/L，随后NO3--N 浓度直到实验结束都处于上升状态；C、D 组NO3--N 浓度呈现先增加后减少趋势，其中C 组在第7 d 达到最大值1.38 mg/L，D 组在第10 d 达到最大值1.13 mg/L。C、D 组实验过程中伴随NH4+-N 浓度不断上升，浓度呈下降态势。有文献证实[18]，随着氧气消耗，部分NO3--N 会转化为NH4+-N。由此可知，在蓝藻降解过程中，会产生NH4+-N 和NO3--N，伴随水环境变化和微生物作用，水体中NH4+-N 和NO3--N 之间可能会相互转化。

2.4 蓝藻降解液中营养盐的相关性分析

在不同实验条件下，蓝藻在生长期与死亡降解期均释放出N、P 等营养元素。为探究营养元素迁移转化规律，本研究分析了此过程中各水质参数的相关性，具体见于表2。A、B 组的DO 以及C、D 组的NO3--N 与其他指标均无明显相关性，而pH 与TDP、PO43--P、PP、TDN、NO3--N 及NH4+-N 呈显著的相关性，表明蓝藻不同的降解过程均对水体的pH 影响较大，其中避光降解条件下降解液中DO快速消耗殆尽，pH 也显著降低。C、D 组降解液中TDP、PO43--P、TDN 及NH4+-N 与PP 呈显著负相关性，这说明蓝藻降解产生的颗粒态磷最后转化为溶解态磷。A、B、C、D 各组TDP 与PO43--P 均呈显著正相关性（p＜0.01），说明PO43--P 是可溶性磷的主要组成成分。A、B、C、D 四组实验中NH4+-N 与TDN 也呈现显著正相关关系（p＜0.01），但NO3--N与其他指标均无明显相关性，这说明了蓝藻腐解过程水体中的氮元素可能主要以无机氮的形式存在，且主要存在形态为NH44+-N。降解液中营养盐的含量分析也表明，蓝藻衰亡降解过程中释放了大量PO43--P 和NH4+-N 无机盐。

表2 蓝藻降解过程中水体营养盐的相关性分析

3 结论

（1）通过实验探究光照、氧气对蓝藻的降解影响，结果表明，光照有氧条件下，蓝藻先会继续生长，后因营养物质减少而降解；密封遮光条件下，蓝藻快速降解。而微生物利用和颗粒物吸附可降低湖水降解液中TDP、PO43--P 和TDN 的含量。

（2）各组实验中的营养盐含量普遍增加，无机营养盐形态及其含量变化趋势表明，蓝藻在光照好氧环境下首先主要产生PP，实验第20 d 后PP沉降进入内循环或进一步分解释放PO43--P，致使上覆水中PO43--P 含量上升；避光无氧降解环境下，蓝藻会迅速腐解并产生大量PP，致使水体中PO43--P 含量快速上升。

（3）相关性分析结果表明NO3--N 与其他指标无明显相关 性；TDP、PO43--P、TDN 及NH4+-N 与pH 呈显著相关性（p＜0.05）；各组降解液中TDP 与PO43--P 均呈显著正相关性（p＜0.01）；NH4+-N 与TDN 均呈显著正相关性（p＜0.01）。相关性分析表明，PO43--P 和NH4+-N 营养盐是蓝藻衰亡降解过程中释放的无机盐主要组分。