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微生物和藻类分解对荣成天鹅湖沉积物氮磷释放的影响

张文斌 董昭皆 徐书童 高丽

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微生物和藻类分解对荣成天鹅湖沉积物氮磷释放的影响

    作者简介: 张文斌(1998-), 女, 山西原平人, 硕士研究生, 主要研究方向为滨海湿地生态与环境, E-mail:wenbinzhang104@163.com;
    通讯作者: 高丽(1976-), 山东聊城人, 教授, 博士, 湿地营养物质的循环, E-mail:ligao117@126.com
  • 基金项目: 山东省自然科学基金面上项目(ZR2018MD018);国家自然科学基金项目(41273130)
  • 中图分类号: X524

Effects of microorganism and algal decomposition on nitrogen and phosphorus release from the sediments in Rongcheng Swan lake

  • 摘要: 以荣成天鹅湖的沉积物和硬毛藻为试材,模拟研究了不同微生物活性和藻类条件下上覆水体氮磷的含量变化,探讨了藻类分解和微生物活性对沉积物营养盐释放的影响。在无藻条件下,不同处理水体的总氮和总磷含量随时间的波动较大,分别变化在0.42~11.71 mg/L和0.02~0.32 mg/L之间;中后期各微生物处理氮磷含量的顺序为氯化汞>葡萄糖、对照>甲醛。藻类分解条件下,水体的总氮和总磷含量远高于无藻条件,含量变幅分别为5.43~34.76 mg/L和0.28~1.80 mg/L;初期水体氮磷含量较高,之后随时间呈下降趋势。试验前期,有藻各处理总氮表现为氯化汞>葡萄糖>对照>甲醛,总磷为氯化汞>葡萄糖、甲醛>对照;后期各处理间差异减小。相同微生物活性下,有藻处理水体的氮磷含量均明显高于无藻条件。试验结束时,无藻组各处理沉积物的微生物活性均较低;而有藻条件下相对较高,各处理顺序为对照>葡萄糖、氯化汞>>甲醛。绿潮藻类分解条件下,微生物对天鹅湖沉积物的氮磷释放有着明显影响;微生物活性越强,沉积物氮磷的释放量越大。
  • 图 1  不同处理条件下水体pH的动态变化

    Figure 1.  The changes of pH in water at different environmental conditions

    图 2  不同处理条件下水体DO的动态变化

    Figure 2.  The changes of DO content in water at different environmental conditions

    图 3  不同处理条件下水体总氮的动态变化

    Figure 3.  The changes of total nitrogen content in water at different environmental conditions

    图 4  不同处理条件下水体氨态氮的动态变化

    Figure 4.  The changes of NH4-N content in water at different environmental conditions

    图 5  不同处理条件下水体总磷的动态变化

    Figure 5.  The changes of total phosphorus content in water at different environmental conditions

    图 6  不同处理条件下水体可溶性磷的动态变化

    Figure 6.  The changes of soluble phosphorus content in water at different environmental conditions

    表 1  试验结束时不同处理沉积物的微生物活性[μg/(g·min)]

    Table 1.  The microbial activity in sediments at different treatments after the release experiment

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    表 2  水体氮磷含量与理化性质的回归分析

    Table 2.  Regression analysis of nitrogen and phosphorus content and physicochemical properties of water

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-25
  • 录用日期:  2018-01-02
  • 刊出日期:  2019-08-20

微生物和藻类分解对荣成天鹅湖沉积物氮磷释放的影响

    作者简介:张文斌(1998-), 女, 山西原平人, 硕士研究生, 主要研究方向为滨海湿地生态与环境, E-mail:wenbinzhang104@163.com
    通讯作者: 高丽(1976-), 山东聊城人, 教授, 博士, 湿地营养物质的循环, E-mail:ligao117@126.com
  • 1. 烟台大学 海洋学院, 山东 烟台 264005
  • 2. 荣成市农业局, 山东 荣成 264300
基金项目: 山东省自然科学基金面上项目(ZR2018MD018);国家自然科学基金项目(41273130)

摘要: 以荣成天鹅湖的沉积物和硬毛藻为试材,模拟研究了不同微生物活性和藻类条件下上覆水体氮磷的含量变化,探讨了藻类分解和微生物活性对沉积物营养盐释放的影响。在无藻条件下,不同处理水体的总氮和总磷含量随时间的波动较大,分别变化在0.42~11.71 mg/L和0.02~0.32 mg/L之间;中后期各微生物处理氮磷含量的顺序为氯化汞>葡萄糖、对照>甲醛。藻类分解条件下,水体的总氮和总磷含量远高于无藻条件,含量变幅分别为5.43~34.76 mg/L和0.28~1.80 mg/L;初期水体氮磷含量较高,之后随时间呈下降趋势。试验前期,有藻各处理总氮表现为氯化汞>葡萄糖>对照>甲醛,总磷为氯化汞>葡萄糖、甲醛>对照;后期各处理间差异减小。相同微生物活性下,有藻处理水体的氮磷含量均明显高于无藻条件。试验结束时,无藻组各处理沉积物的微生物活性均较低;而有藻条件下相对较高,各处理顺序为对照>葡萄糖、氯化汞>>甲醛。绿潮藻类分解条件下,微生物对天鹅湖沉积物的氮磷释放有着明显影响;微生物活性越强,沉积物氮磷的释放量越大。

English Abstract

  • 随着经济的快速发展,湖泊等水体的富营养化现象也越来越严重。水体中的氮磷主要有两种来源,分别是外源污染的输入和内源释放,其中内源释放主要包括沉积物的营养盐释放和生物(藻体)死亡分解的释放。水体中的氮磷主要通过沉积物吸附/释放和藻体的生长吸收/死亡分解进行循环,形成沉积物-藻体-水体的三相循环[1]。沉积物-水界面理化性质(溶解氧、pH等)的改变会对沉积物氮磷的释放产生影响,此外微生物活性对沉积物氮磷的释放也有着重要影响。微生物可促进藻体的分解,而藻体的分解会消耗大量氧气,使得沉积物-上覆水界面的理化性质改变,从而影响沉积物氮磷的释放[2]。另一方面,藻体死亡分解过程中藻体会有大量的氮磷释放,也影响着上覆水中的营养盐含量[3]。因此,在藻华频繁暴发的水体,探讨微生物活性以及藻类分解对沉积物营养盐释放的影响尤为重要。

    近年来,国内外学者就微生物对沉积物氮磷释放的影响进行了一些研究。詹旋灿[4]等人比较了杜塘水库沉积物灭菌与不灭菌条件下的氮释放情况,发现微生物对沉积物氮释放有着促进作用。钱燕[5]等人研究发现,微生物代谢过程产生的酸会溶解沉积物中难溶的磷酸盐,从而促进底泥磷的释放。有氧和无氧条件下,微生物对沉积物磷释放都有着促进作用。游雪静[6]等发现,有氧条件下沉积物主要在微生物的矿化作用下释放磷,而厌氧条件下微生物通过还原沉积物中的铁来促进磷的释放。Holdren等的研究也发现,微生物活动可以增加底泥耗氧,提高底泥磷的的释放速率[7]。目前就微生物对沉积物营养盐释放的研究较多,但有关微生物和藻类分解双重作用对沉积物氮磷释放的影响研究较少。本研究以荣成天鹅湖藻类爆发区的沉积物和硬毛藻为试材进行室内模拟试验,探讨了不同微生物活性及藻类有无条件下沉积物氮磷释放量的差异,研究结果可为藻华后水体富营养化以及内源污染的治理提供理论依据。

    • 2017年4月,在荣成天鹅湖的藻类爆发区(湖中心)采集表层沉积物(0~10 cm)、硬毛藻和表层湖水。样品运回试验室后,沉积物去除动植物残体等杂质,混匀冷藏(2℃)备用;硬毛藻去除表面的附生生物,洗净后冷冻备用(-20℃,48 h);湖水过滤后,测定基本理化性质。

    • 模拟试验容器为2.0 L的高型烧杯,外面覆黑色薄膜以避光。试验分为无藻(沉积物+水)和有藻(沉积物+水+藻)两大组,3次重复。每组各设4个处理,采用不同的灭菌方式,分别为:甲醛灭菌、氯化汞灭菌、对照(不灭菌)、加葡萄糖,其中前2个处理为抑菌组,后2个处理未抑菌。

      具体步骤:准确称取0.30 kg沉积物于高型烧杯中,再将30 g的硬毛藻平铺在沉积物表面(无藻处理则不加),之后缓慢注入1.8 L的过滤湖水,静置。培养过程中,在水土界面3cm处用移液管抽取水样,分析水体总氮、氨氮、总磷和可溶性磷含量,并监测界面水体pH、DO的动态变化。每次抽取水样结束后,向烧杯补水至1.8 L,每2 d抽取1次,试验周期为14 d。试验前后测定各处理沉积物的微生物活性。

    • 水体总氮:过硫酸钾氧化法测定;氨态氮:采用蒸馏滴定法(有藻组)和纳氏试剂比色法(无藻组)测定;总磷:过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法;可溶性磷:过滤后采用钼锑抗分光光度法测定[8];DO含量:溶氧仪(梅特勒SG6-FK2)测定;pH采用多参数测试仪(梅特勒SG78)测定;沉积物中微生物活性:FDA法。

    • 采用SPSS 20.0分析软件,对有藻和无藻条件下水体氮磷含量与理化参数分别进行回归及相关分析。

    • 微生物在代谢过程中可分泌酸性物质,从而使水体pH降低[9]。由图 1可知,试验期间无藻组各处理水体pH变幅为6.62~8.36,有藻组为6.28~7.91。试验前期(0~4 d),无藻组和有藻组水体pH均呈下降趋势,表现为氯化汞>对照>葡萄糖>甲醛;在中后期(5~14 d),无藻组的葡萄糖和甲醛处理上升幅度较大,其余处理变化平稳;而有藻组各处理均随时间呈上升趋势,在第14d达最高。藻类分解条件下,各处理间水体pH差异较小(除甲醛处理外)。相同微生物处理下,无藻处理明显高于有藻处理,这与侯金枝等人对刚毛藻的研究结果是一致的[3]

      图  1  不同处理条件下水体pH的动态变化

      Figure 1.  The changes of pH in water at different environmental conditions

      藻体死亡分解过程中,藻体分解消耗大量氧气,降低了水体的DO含量[10]。试验期间无藻组水体DO变幅为2.58~7.67 mg/L,有藻组为2.40~7.55 mg/L(图 2);整个试验期间,无藻和有藻条件下均表现为甲醛处理远高于其余处理。在0~6 d,无藻组和有藻组DO含量均随时间呈下降趋势,其中有藻组在第6 d达到了最低;试验后期,无藻组和有藻组均为甲醛>氯化汞>对照>葡萄糖。相同微生物处理下,无藻组(除葡萄糖外)水体的DO含量均高于有藻组;可见微生物活动和藻类分解均可导致水体DO含量降低。

      图  2  不同处理条件下水体DO的动态变化

      Figure 2.  The changes of DO content in water at different environmental conditions

      沉积物的初始微生物活性为9.52 μg/(g·min),试验结束时无藻条件下各处理活性趋于零,而有藻条件下虽有所降低,但仍具有较大活性(表 1),说明藻类分解对微生物的存活有着一定的促进作用,这可能与藻体分解为微生物的生存提供营养物质有关[11]。新鲜有机质丰富的情况下,微生物活性增加(表 1),耗氧量也随之增加。

      表 1  试验结束时不同处理沉积物的微生物活性[μg/(g·min)]

      Table 1.  The microbial activity in sediments at different treatments after the release experiment

    • 研究表明,藻类分解对沉积物中氮释放具有一定的促进作用[12]。无藻条件下各处理水体总氮的含量变幅为0.42~11.71 mg/L,有藻条件为5.43~34.76 mg/L,其中有藻组远高于无藻组(图 3)。各处理的动态变化趋势基本一致,前期(0~4 d)总氮含量呈快速上升趋势;试验中期(4~10 d),波动较大,第10 d达最低;之后基本稳定。这与叶春等人对黑藻的研究结果一致[12]。不同处理相比,无藻条件下试验前期总氮含量表现为对照>氯化汞>葡萄糖>甲醛;试验后期,甲醛处理含量较低,几乎监测不出。在有藻条件下,试验前期总氮含量表现为氯化汞>葡萄糖>对照>甲醛;中后期各处理间差异减小。

      图  3  不同处理条件下水体总氮的动态变化

      Figure 3.  The changes of total nitrogen content in water at different environmental conditions

    • 图 4可知,无藻条件下水体氨氮含量远低于有藻组。在试验0~6 d,无藻组和有藻组均呈上升趋势,无藻处理组中,不同处理氨氮含量顺序为氯化汞、对照、葡萄糖>甲醛,甲醛处理在试验过程中变化不大;有藻条件下,甲醛处理在试验过程中含量一直很低,氯化汞处理和对照变化幅度较大。各处理的含量顺序为:对照、氯化汞>葡萄糖>甲醛。微生物通过氨化作用将有机态氮转化为氨氮,由于藻分解过程中可释放大量氮[13],从而使得有藻处理组氨氮含量明显高于无藻组。

      图  4  不同处理条件下水体氨态氮的动态变化

      Figure 4.  The changes of NH4-N content in water at different environmental conditions

    • 微生物可通过矿化作用促使沉积物有机磷转化成无机磷,从而促进内源磷的释放[14]。研究表明,沉积物中部分微生物具有解磷作用[15],通过释放酸性物质溶解难溶性磷酸盐[16],有机酸也可与金属离子发生络合或螯合作用,从而将磷酸根释放出来。无藻条件下各处理水体总磷的含量变幅为0.02~0.32 mg/L,有藻条件为0.28~1.80 mg/L(图 5),有藻组各处理总磷含量明显高于无藻组。无藻条件下,试验前期(0~6 d)各处理的总磷含量顺序为对照>氯化汞>甲醛>葡萄糖,后期表现为氯化汞>对照>葡萄糖>甲醛。在试验过程中,抑菌组水体总磷含量呈下降趋势,而未抑菌组变化较小。有藻条件下,试验前期总磷含量顺序为氯化汞>葡萄糖>甲醛>对照,后期为甲醛>氯化汞>对照、葡萄糖。试验前期各处理总磷含量较高,之后随时间呈下降趋势。前期含量快速增高主要来自藻体本身的释放[17],后期含量降低可能与底泥吸附和微生物作用有关[18]

      图  5  不同处理条件下水体总磷的动态变化

      Figure 5.  The changes of total phosphorus content in water at different environmental conditions

    • 图 6可见,有藻条件下水体可溶性磷的含量远高于无藻条件。无藻条件下,各处理可溶性磷含量随时间总体呈增加的趋势。不同处理在试验后期的含量差异较大,表现为氯化汞>对照>葡萄糖>甲醛。有藻条件下,试验前期可溶性磷含量顺序为甲醛>氯化汞>对照>葡萄糖;各处理在试验前期含量较高,随时间变幅增大,而后期(8d后)趋于平缓。甲醛处理在整个试验周期的变化较为明显,对照和葡萄糖处理的变幅较小。由上可知,微生物对沉积物可溶性磷释放有促进作用,这与朱苏葛对阳澄湖间隙水磷释放的研究结果是一致的[19]

      图  6  不同处理条件下水体可溶性磷的动态变化

      Figure 6.  The changes of soluble phosphorus content in water at different environmental conditions

    • 研究表明,蓝藻水华衰亡过程中,藻体衰亡可降低上覆水DO浓度而间接促进沉积物氮磷的释放,并引起上覆水营养盐浓度大幅提升[17-18]。为探究释放过程中水体氮磷含量与理化性质的相互关系,进行了回归与相关性分析(表 2)。无藻条件下,氨氮、总磷均与pH呈极显著正相关,氨氮与DO呈极显著负相关关系(P < 0.01)。有藻条件下,总磷、可溶性磷与pH呈显著负相关(P < 0.05),总氮、氨氮与DO呈极显著负相关(P < 0.01)。除甲醛处理外,其余3个处理的水体可溶性磷、氨氮均与DO呈负相关关系,其中无藻条件下对照达显著水平(r分别为-0.765*,-0.833*n=7),有藻条件下葡萄糖处理可溶性磷与DO间达显著水平(r= -0.771*n=7)。可见,水土界面DO含量越低,水体可溶性磷和氨氮含量越高,沉积物营养盐的释放量越大。

      表 2  水体氮磷含量与理化性质的回归分析

      Table 2.  Regression analysis of nitrogen and phosphorus content and physicochemical properties of water

      微生物可在一定程度上促进藻体分解,藻体死亡可释放内源性氮磷,在一定程度上增加了水体的氮磷含量,进而影响到沉积物氮磷的释放[20],表现为有藻组在不同微生物处理下水体氮磷含量具有较大差异(图 3~图 6)。在藻类分解初期,同一时间段各处理有藻组总氮含量约为无藻组的3倍,而总磷约为6倍,可见藻类分解对磷释放的影响更为显著。这与孟祥森[21]等人关于绿潮硬毛藻研究结果是一致的。综上所述,在荣成天鹅湖,微生物活性对沉积物氮磷的释放具有明显的促进作用,在藻类暴发时影响作用尤其明显。藻类分解有利于微生物的生存,且向水体释放大量氮磷,而微生物的作用可以改变水体理化性质,为沉积物氮磷的释放(尤其是磷)提供条件,从而加重水体的富营养化现象。在水体治理时,应适当考虑定时打捞死亡藻体,避免内源污染使天鹅湖水体的富营养化现象加重。

    • (1) 在整个试验周期,各处理水体的氮磷含量呈明显的动态变化。无藻条件下,试验初期水体的总氮和总磷含量均较高(变幅分别为0.42~11.71 mg/L和0.02~0.32 mg/L),之后随时间呈下降趋势;试验后期各处理间差异减小。有藻条件下,总氮和总磷含量分别变化在变幅分别为5.43~34.76 mg/L和0.28~1.80 mg/L;其中氨氮和可溶性磷含量随时间增加,后期不同微生物处理间差异较大。试验前期各处理水体DO含量均有所降低,其中微生物活性较强的加藻处理降幅较大。

      (2) 在相同微生物活性条件下,有藻处理水体的氮磷含量均高于无藻处理。不同微生物处理相比,甲醛抑制剂的抑菌效果显著,水体营养盐含量较低。试验前期各处理水体DO含量均有所降低,其中微生物活性较强的加藻处理降幅较大(最低可达2.40 mg/L)。绿潮藻类分解条件下,微生物对天鹅湖沉积物的氮磷释放有着明显影响;微生物活性越强,沉积物氮磷的释放量越大,水体营养盐含量越高。

参考文献 (21)

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