（环境科学专业论文）河流沉积物中微生物对营养盐释放的影响研究.pdf

a b s t r a c t m i c r o b e si nr i v e rs e d i m e n t se f f e c t so n t h er e l e a s eo fn u t r i e n t m a j o r ： e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：z h a n gh e n g j u n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f w uq u n h e a b s r r a c t m i c r g b e sp l a i e da ni m p o r t a n tr o l ed u r i n gt h er e c y c l i n go fn u t r i t i o na n d t h ef l o w i n go f e n e r g yi n1 w a t e r s t h ea m o u n to fm i c r o b e si n d i c a t e dt h el e v e lo fm e t a b o l i s mi nt h es p e c i a l s y s t e m i nt h es t u d y , t h em o n i t o r i n go fp h y s i c c h e m i c a la n db i o l o g i c a lp a r a m e t e r so f s e d i m e n t a n dw a t e rc o l u m nw a sc a r d e do u to v e ra3 0 d a yi n c u b a t i o ni nal a b o r a t o r y s o m e c o n c l u s i o n sc o u l db ed r a w nf r o mt h es t u d y n ea m o u n to fn i t r o g e nm i c r o b e sw a sh i g h e rt h a nt h ep h o s p h o r o u sm i c r o b e s i nt o t a lt h e a v e r a g en ( m p n ) o fa m m o n i 毋i n gm i c r o b e sw a sh i g h e rt h a nn i t r o m i c r o b e s ，a n dt h e l a t t e rh i 【g h e rt h a nd e n i t r i f y i n gm i c r o b e s a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fa m m o n i ai s h i g h e r t h a nn i t r a t e ，a n dt h el a t t e rh i g h e rt h a nn i t r i t e f r o mt e m p o r a ld i s t r i b u t i o no fm i c r o b e s t h em i c r of l o r ao ft h ew a t e rc o l u m np r e s e n t e d g r e a tc h a n g e sd u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，t h en u m b e ro fm i c r o b e sk e e p e di n c r e a s i n ga n d r e a c h e dt h em a x i m u md u r i n g2 1 d a y s ，t h e nd e c r e a s e do rk e e p e dt h el e v e li nt h el a s t 7 d a y s f r o ms p a t i a ld i s t r i b u t i o no fm i c r o b e s ，t h en i t r o g e nm i c r o o r g a n i s mp r e s e n t e di n c r e a s i n g a l o n gt h ec o l u m n ，a n dt h e r ew e r e m o s to r g a n i cp h o s p h o r o u sm i c r o o g a n i s ma tt h e i n t e r f a c eb e t w e e nw a t e ra n ds e d i m e n t i tw a sf o a n dt h a tt h e r ew e r em o r eb i o l o g i c a l a c t i v i t yi ns e d i m e n t l o 一一2 5 c mb e l o wt h ei n t e r f a c e n er e l e a s ei n t e n s i t yo fn u t r i t i o nt o o ko nf l u c t u a t ec h a n g e sd u r i n ge x p e r i m e n t a n dt h e n i t r o g e na c t e da sa ni m p o r t a n ts o u r c ef o rt h ew a t e rq u a l i t y p h o s p h o r o u sd i dn o ts h o w i n t e n s i v ee x c h a n g ed u r i n g2 8d a y sa so t h e ra u t h o r ss t u d i e d i tc o u l db ef o a n dt h a tt h e r em o r ef a c t o r sp r e s e n t e dc o r r e l a t i o n sw i t h m i c r o b e si n s e d i m e n tt h a nt h eo v e rw a t e ra n di n t e r f a c eb yt h er e l a t i o n sa n a l y s i so fm i c r o b e sa n d a m b i e n c ef a c t o r s ，i n c l u d ep p 0 4 ，n - n 0 3 a n dc o d i tp r o v e dt h a tt h en u t r i t i o nw a st h e m o s ti m p o r t a n tf o rm i c r o b e si ns e d i m e n to f s t u d y p r i n c i i a lc o m p o n e n tf a c t o ra n a l y s i sf o rt h ef a c t o r st h a tc o u l da f f e c tm i c r o b e ss h o w e d t h a ta b s t r a c t e d3m a i nf a c t o r sa c c o u n t i n gf o rm o r et h a n9 0 o v e r a l lf a c t o r sc o n t r i b a t i n g r a t ea td i f f e r e n td e e p s ec o m p o n e n t sr e p r e s e n t e dt h r e em a i nf a c t o r si n c l u d i n g n u t r i t i o n , o r g a n i c sa n do x y g e n , t h ep ha n de ho f e n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：n u t r i t i o n ，m i c r o b e s ，s e d i m e n t , c o r r e l a t i o n s 河流沉积物中微生物对营养盐释放的影响研究 第1 章引言 氮和磷在自然界的循环是人们极为关注的问题，一方面因为氮和磷是生态系统 中必不可少的营养元素，另一方面过剩的氮和磷会导致水域的富营养化，从而使生 态平衡遭受破坏川。由于近些年来的城市发展迅速，大量未经处理的生活污水加上农 业面源流失的大量氮磷的都进入河流。这些氮磷在河流等水体中沉积下来，滨海及 河流沉积物成为陆源氮磷迁移的最终归宿，导致了河口的富营养化的趋势是在逐年 的加剧。1 。而氮和磷在适宜的条件下就会重新释放到水里，造成成二次污染，延续水 体的富营养化过程从而加剧水体的恶化。1 。因此沉积物中的氮磷释放的深入研究具 有深刻的意义和管理决策方面的参考价值。 1 1 营养盐的来源与转化 施予土壤中之肥料与农药，对环境造成污染主要有三个途径：表土径流、地下 渗漏、土壤冲刷等。从大的方面来说，从土壤径流和排水中氮、磷的损失取决于两 个因素，一是现存于土壤中的n 、p 的量，另一个是水流的范围或者是土壤吸附这些 污染物的范围”3 。虽然从集中的养殖场排出的径流中富含大量的肥料，但是这些污染 源占据了有限的土地面积，径流也直接进入了池塘和泻湖。因此，大部分的n 和p 都 来源于农田中水流与土地相互作用。 1 1 氯和磷的积累与流失的关系 土壤磷积聚是山输入与输出积聚平衡来决定的，因为其流失量相对来说比较小。 在大多的农业系统中，如果土壤的磷肥保持充足，那么其生产力是可持续的，因此 有必要同时考虑输入和输出进行平衡。土壤中磷由于接受了大量的农家肥，或者是 有些地方农家肥和化肥同时使用，而积聚下来延长了有效时间。留在土壤中的磷以 溶解态存在或者吸附于腐殖质颗粒表面。但是在土壤磷浓度值明显高于环境背景值 的地方，土壤径流p 的损失会明显增加。 土壤中剩余磷的积累对于土壤总磷或者磷的饱和度的影响，取决于土壤中最初 磷的形态、土壤的缓冲能力、剩余量及其积累的深度。因此，土壤中磷的背景浓度 值是与土壤磷饱和度密切相关的，不能仅仅使用土壤磷标准浓度值来评价p 1 。 土壤中氮的通量比磷要大很多，生物过程在控制溶解态氮浓度时比土壤化学过 程更为重要。而排水造成的损失相对于输入和与大气的交换( 挥发的氨、脱氮、固 氮) 的量大得多。与磷不一样，磷可以吸附于土壤颗粒的表面，而氮主要是以溶解 河流沉积物中微生物对_ f 养盐释放的影响研究 态进入河流中去。土壤中的硝酸盐浓度与土壤氮的积累没有多大的关系，但是与矿 物氮、固态氮和作物需要之间的迁移平衡有关系。在化肥或者农家肥的氮输入量超 过了当前季节生长吸收量的地方，硝酸盐的浓度就会增加。 氮与磷另一个不同点是，经过几年积聚平衡后，土壤就有了富磷土壤和贫磷土 壤的区别，而氮的流失对于每年的土壤中氮的流通量更加敏感，因此可以通过良好 的化肥管理办法对其迅速的控制。 1 。1 2 氨和磷的输送 积累下来的土壤养分及刚施用的农家肥、化肥都是氮和磷的潜在来源，但真正 的流失与降雨总量和分布，以及沿着水利通道产生的水流的总量、速率和分布都有 关系。 颗粒磷的过滤作用及溶解磷的吸收作用，随着水的渗透进入土壤母质中使磷的 损失最大，而水与富含磷的表层土壤相互影响并且迅速进入河道中。这种快速的流 动可能是地面流或者黏土的沟流及排水，水道的连通性可以通过冲刷、道路、水沟 得到加强。在可耕作地区和严重破坏的草地，由于缺乏足够的植物覆盖，其表面径 流的磷负荷主要是由分散的土壤颗粒来决定的。然而，地面径流中的磷在流速降低 和径流下渗的地方经常被截留，因此大部分的悬浮物会在土壤中沉降，只有富含磷 的泥沙和粘土进入河道。但是在海滨地区，磷的截留机会就会很少。 与磷不同的是，暴雨流损失的氮进入地表水或地下水主要以可溶的硝酸盐为主， 并且在通过土壤被削减到了很小的程度，尤其是在森林地区具有很多的除氮的机会。 相比较磷来说，大多数从根区上方淋失的硝酸盐将会进入地下或地表水体中和所有 的集水区内。对于低渗透性的土壤来说，在暴雨期间的水流有的通过沟流进入水渠 中，有的则漫流过地表。也有另一种情况，当水流与母质中的渗透水平衡的机会较 少时，在渠流和表面流中硝酸盐的浓度在丰水期内趋向于降低。 张志剑等人f 9 j 对水稻田面氮素的动态特征、模式表征及排水流失进行了研究以及 鄢伦等人( 1o 】对于降雨一产流过程中氮和磷的流失的特征的研究表明，总氮、水溶态 氮、总磷、水溶态磷的输出浓度随降雨径流过程减少。总氮、总磷与径流量与地表 的侵蚀能力成正相关，其输出浓度递减快。水溶态的氮的输出浓度基本是线性分布， 水溶态磷的输出呈非线性分布，与总氮和总磷相比递减变化幅度较小。 河流沉积物中微生物对营养盐释放的影响研究 1 2 “富营养化”的提出和危害 1 2 1 “富营养”问题 美国环境保护署列出了几项有关的水域富营养化的指示特征： 在分层水域中，湖下层的溶解氧量在湖水混合前有逐年减少的情况( 一般夏 季分层，冬季混合) 。 溶解固体增加，特别是氮、磷和单糖类。 悬浮物增加，特别是有机物。 从硅藻占优势的群集转为蓝藻和绿藻占优势的群集。 水体透明度降低。 有机物和营养物增加，特别是底层中的磷质增加。 近些年来由于污染造成的环境恶化逐步加重，水体藻类污染的程度也逐年加深。 赤潮或水华( r e dt i d eo rb l o o m ) 在全球范围内频繁出现是藻类污染程度加深的直接 反映。我国在1 9 3 3 年到1 9 7 9 年的4 6 年中仅发生过1 2 次赤潮，而1 9 9 0 年到1 9 9 4 年的5 年中就发生了1 3 9 次赤潮，藻类污染灾害日趋严重赤潮可以造成海水p h 值 升高，粘稠度增大，改变浮游生物的生念系统群落结构。当赤潮藻类过度密集或死 亡腐解时，又造成了海域大面积的缺氧，甚至无氧。藻细胞代谢及腐解又会产生大 量有害气体和毒素( 已有许多藻类毒素引起人畜患病或致死的报道，使海水变色、变 臭，破坏原有生态系统的结构与功能。藻类污染每年给全球造成几百亿美元的损失。 而对于河流而言，在于大量的有机物质超出了微生物的有氧代谢能力，过剩的 有机物降解耗氧，导致了底部缺氧。当底部溶解氧低于每升0 2 o 3 毫克时，便形 成厌氧环境，这时的兼气细菌和厌气细菌一起进行厌氧呼吸。而维系水质清洁的基 础环节生物氧化反应过程被破坏。厌氧呼吸过程从有机物中脱出的氢，没有足 够的氧作为受氢体，会产生有毒有害的物质如非离解氨、硫化氢、亚硝酸盐等。有 害物质进一步恶化上覆水体，使上覆水体的自净能力减弱直至消失，造成水体缺氧， 大批水生生物消亡，生物多样性锐减，生态平衡被破坏殆尽，食物链不复存在，水 中的悬浮颗粒、有机碎屑、生物尸骸等有机质沉降，进一步加重底部的厌氧活动， 形成恶性循环。 目前水体中的内源污染已被认可，但大批的治污投资计划仍未落到实处。“十 五”期间的2 7 0 0 亿元水污染投资，大部分还在建设污水处理厂。由于水污染已发展 到了非治理不可的程度，人们开始运用传统的罱泥方法来消除污染内源，大江南北， 河流沉积物中微生物对营养盐释放的影响研究 到处在挖泥。虽然投入大批资金，但收效甚微，水污染治理面临严峻挑战。 1 2 2 氮磷对水体的影响 ( 1 ) 以毒害型污染物污染水体环境 这主要归结于农药、除草剂及其降解产物，各种氮磷有机物和无机物及其它污染 物经淋溶作用进入地下水体或经地表径流进入饮用水源区，可造成饮用水源的污染， 影响人体健康。其直接的毒害是引起水体生物的急性中毒，如有机磷及有毒物在水体 食物链中的富集。这些毒害型污染物对水体环境负作用最终将影响到人类本身。氮在 水体中消耗水中的氧气，i m o l 的n h 3 可以消耗2 m o l 的0 2 ；危害人体健康，根据世界 卫生组织的规定，n 0 3 - 不能够超过1 0 m g l ，出生4 6 个月的婴儿对于硝酸盐的耐受 能力很低，当饮用水中的硝酸盐氮含量为9 0 1 4 0 m g l 时，既可以造成婴儿高铁血红 蛋白症，导致婴儿死亡：许多的水生生物对于氨的含量很敏感，一般都有一定的耐受 限度；此外，亚硝基化合物具有明显的致癌、致突变、致畸的性质尤其对缺乏维生素 c 之类的抑制剂时。因此，地下水中的亚硝酸盐含量一直倍受关注- 1 。 ( 2 ) 富营养化与营养限制因子 富营养化引发水体的无氧或缺氧状态，令海草和藻床死亡，水中生物大量死亡， 单一的藻类种群占优势，使水体的生态系统严重破坏。农业非点源是一个不可忽略的 营养盐的来源，特别是氮和磷是富营养化发生的限制因子，因此对于氮和磷的控制是 非常的有必要。从土地流失的氮和磷最直接的影响就是其周围的水体如湖泊、水库等， 而进入河流中的氮和磷将随水流迁移最终进入河口，流入海洋，所以农业非点源的氮 和磷对于所有的水体的富营养化都是有贡献的l ”_ 16 。 关于氮在许多温带河口区和沿岸海域的初级生产中的限制作用早在8 0 年代就有很 多人做过研究和讨论。同时氮磷比也将成为决定发生富营养化的水体中藻类的决定因 素。例如徐敏等【l5 】通过环境因子对衣藻水华消长的影响的初步研究得出结论认为，水 体中有效的氮磷比在1 6 6 9 时衣藻开始发生水华，并且这个数值随着水华的发生而逐渐 升高。也有其他的相关报道，氮磷比从1 5 升到2 5 时，水体中的鱼腥藻就会被聚球藻 所代替。 1 3 水体沉积物生态系统的功用 各种水体沉积物中存活有大量生物，由于其生活在阴暗角落中，因此经常被很 多研究者所忽略。很多人充分考虑了沉积物的物理化学性质，但是沉积物中生物形 成的生态系统是组成水体生态系统的主要部分，他所起的作用已经越来越多吸引了 科学家的注意。 4 河流沉积物中微生物对营养盐释放的影响研究 健康沉积物生态系统是指那些生态作用能够持续而不受阻碍以保证水体清洁充 足，有机物不损失也不会过多富集的沉积物生态系统。 1 ，3 1 沉积物生态系统的多样性 ( 1 ) 沉积物中的生物多样性 在沉积物中，生物的类群繁多、物种多样性极高，不仅形态差别很大，食性丰 富多样，而且分化出多种多样的功能群。沉积物生物群中特定种或者特定功能群在 健康的生态系统的生态过程中起着关键性的作用“”。 对全球海洋沉积物中的动物种类和数量尚无准确的估计，对于些群体，是通 过区域群落水平的研究推知其全球物种数量的。动物界非共栖动物共有2 9 门，在海 洋沉积物中都可以发现其代表。在海洋沉积物中，优势类群是线虫、环节动物、甲 壳动物、软体动物。它们不仅数量上占优势，而且种类数很多。据推测，全球海洋 沉积物中仅线虫纲动物就有1 0 8 种“。 目前人们已经描述了大约有1 7 5 0 0 0 种与淡水沉积物有关的生物种类，但是实际 上的物种数量远高于这个数量。其中有细菌类1 0 0 0 0 多种、藻类1 4 0 0 0 种、真菌6 0 0 种、原生动物1 0 0 0 0 种、植物1 0 0 0 种、无脊椎动物7 0 0 0 0 种。淡水沉积物大多数很 小且集中分布于沉积物的 二层”。 ( 2 ) 沉积物生境多样性 沉积物环境的变动会直接影响到沉积物中的生物的生存和发展。由于沉积物生 境的多样化，导致了沉积物中的生物的多样化。 海洋从宏观水平看，热带、亚热带、温带和寒温带沉积物各有其环境特点和沉 积物类型。从海洋垂直空间看，可分为浅海底( 等深线2 0 0 m 左右往上的海底区) 和深 海底( 2 0 0 m 等深线以下的海底区) 沉积物环境。即使在同一海区，沉积物组成、粒度、 沉积速度的不同也会产生不同的生境。陆地沉积物生境又可以简单的分为：湖泊、 河流和地下水等三部分。 此外，沉积物分散度、有机物富集度、碳酸盐含量及同一地点沉积物表层和底 层的差异也增加了沉积物小生境的多样性。 1 3 2 沉积物生态系统功能评价 最新的研究表明，沉积物的质量评价需要一个综合的评价方法，包括化学本质 特点、生物影响评价、生态系统调查，也要考虑到生物毒性和实地特点”1 。很多科 学家试图建立一种能够对一个复杂生态系统进行全面评价的方法，但是其应用都受 河流沉积物中微生物对钟养盐释放的蟛响研究 到时空变化的限制，需要大量的积累数据以建立合理的评价体系。 ( 1 ) 利用沉积生物指示作用评价 。水生生物与它们的生存环境是相互依存、相互影响的统一体。水体污染对生物 。产生影响，生物也对此做出不同的反应和变化，其反应和变化是水环境评价的良好 指标，又是水环境质量评价的基本原理和依据1 1 2 1 1 1 。 生活在河流沉积物中的微生物是一大类个体微小、肉眼所看不到的生物的总称 包括细菌、微型藻类、微型动物等。细菌由于其体型微小、数量多、种类多，而 且微生物的代谢强度大，可使有机物在短期内得以氧化分解大量的氮磷物质，同时 也可以对不同形态的氮和磷进行转化，为其他的生物提供养分。 微生物不仅能降解水体和沉积物中的有机物，而且可作为水体污染程度及受污 后治理恢复状况的指示指标。陈金霞等人选取有代表性的指示微生物，通过对苏州 河上海市区段8 个采样段面处沉积物( 主要是表层沉积物) 中微生物指标的定量测 试及代表性河段的耗氧速率测定，结果表明微生物对水体污染有指示作用，在选定 的八个采样点中，异养细菌数最多的断面，是受有机污染最严重的断面。”。 ( 2 ) 利用沉积物对生物的毒性评价 底栖生物长期暴露于沉积物和间隙水中，沉积物为其提供食物来源。因此，进 行沉积物毒理学研究首选底栖生物。 杨光俊等人”在不同营养级水平上和多生物学指标研究沉积物的生物效应，比 较全面地反映沉积物的生物环境质量。研究结果表明，沉积物浸出液对初级消费者 大型潘和高级消费者斑马鱼无明显的急性毒性。但与湖水对照相比，浸出液对生产者 斜生栅列藻的生长有显著促进作用，且随浸出液浓度升高，对藻类促进作用越大。 ( 3 ) 沉积物重金属质量评价 目前国内国际对于沉积物重金属的质量基准研究多集中于生物效应数据库法， 该方法通过整理和分析大量的水体沉积物重金属含量及其生物效应数据，以确定沉 积物中引起生物毒性与其它负面生物效应的重金属浓度闽值”“2 ”。 实践证明了利用生物效应数据库法在制定水体沉积物重金属质量基准时非常有 效，可以为评价沉积物质量提供科学的基准值。目前加拿大、美国、澳大利亚、新 西兰、中国香港等国家和地区对水体沉积物质量基准进行了大量的研究和应用。 1 3 3 沉积物生物修复 水体沉积物是水体生态系统管理和恢复的主要问题。沉积物的污染主要是对水 6 河流沉积物中微生物对营养盐释放的影响研究 体质量和沉积物生态系统的危害。如果不对沉积物的进行处理，则不可能改善水生 生态系统，提高上覆水及其他组分的质量。目前进行的沉积物修复方法主要有： 疏浚、物理覆盖、化学覆盖、原位处理等。其中大多数处理方法都会破坏沉积物 的生态系统组成，而且不能起到标本兼治的效果。在众多的沉积物修复方法中，最 有前景的是生物修复的方法。 ( 1 ) 生物对营养盐的作用 在天然水体中，沉积物为底栖生物提供栖息场所和食物来源，同时也是污染物 的汇集点。在环境条件相对稳定时，污染物在沉积物、间隙水之间处于动态平衡， 而当环境条件发生变化时，这些污染物又将从泥相释放至问隙水相或( 和) 上覆水相 嚣，舶i 根据研究表明，中国近海沉积物一海水界面s 、h s 、h 4 s i o 。p o 。、n h 。+ 的扩散 通量是从沉积物向上覆水，而s o 。h c o 。一、n o 。一、n 0 2 的扩散通量从上覆水向沉积物中 扩散。生物扰动对沉积物一海水界面营养盐底循环起重要作用1 。栖息在沉积物一 水界面附近的底栖动物为了摄取氧和食物，常泵吸上覆水来灌溉自己的洞穴，从而 促进了表层间隙水与上覆水之间生源要素的混合和交换”。 陈天乙在摇蚊幼虫对沉积物中氮、磷释放作用的研究中发现，摇蚊幼虫能够明 显促进沉积物中氮磷的释放，而释放到水里的氮磷有容易被藻类吸收利用，从而促 进藻类的生长”。 ( 2 ) 重金属的生物转化 沉积物中的各种生物对于其吸附的重金属具有多种转化作用。微生物能够改变 金属存在的氧化还原形态，如某些细菌对a s ( v ) 、f e ( i i i ) 、h g ( i i ) 、h g ( i ) 、s e ( i v ) 等元素有还原作用，而另一些细菌对a s ( i i i ) 、f e ( i i ) 、f e ( 0 ) 等元素有氧化作用。 随着金属价态的改变，金属的稳定性也随之变化。有些微生物的分泌物可与金属离 子发生络合作用，产h 2 s 细菌又可使许多金属离子转化为难溶硫化物使之被固定”。 ( 3 ) 有机物质生物降解 有机物分解可通过一切生物体，包括细菌、真菌和其它微生物的呼吸作用来实 现。 对有机污染的沉积物，让微生物在原地直接分解污染物或者提高生物活性在现 场治理。原位处理需要外加具有高效降解作用的微生物和营养物，有时还需外加 电子受体或供氧剂。目前面临的问题是沉积物中的有机物水溶性低，而普遍认为微 生物只能利用液相中的有机物，而不能利用固相中的有机物，因而沉积物中有机物 河流沉积物中微生物对营养盐释放的影响研究 生物可利用性低，降解速度慢“。 生物降解是有机物的有效去除途径之一，沉积物生物多样性显示，大部分有机 物在沉积物中均能缓慢降解，总是有部分微生物能够旺盛生长在毒物浓度较高的地 方，这充分说明了生物降解是可行的1 。随着生物技术的发展，转基因手段的成熟， 基因工程菌的大规模应用，利用微生物来修复污染有机物已大有希望。 1 。4 沉积物与氮磷的研究现状和特点 对于氮和磷的研究受重视的程度因氮和磷所起的作用的不同而区别对待，一般 来说对于淡水湖泊或者河流大家都认为磷比氮的对富营养化的控制作用更强一些， 此外氮的循环比磷要复杂的多”1 。人们对于沉积物中的磷的释放早在2 0 世纪8 0 年代 就己经丌始了，并且对其影响因素进行了实验分析”。国内对于沉积物中的微生物 的注意，是1 9 8 4 年施国涵1 等人首先对于水库沉积物的微生物降解农药进行了研究， 并通过实验证明了沉积物微生物的降解能力受到多种环境因素的影响。在国外 s u r e s hn 等人啪3 1 9 8 5 年也开始了关于细菌对磷的代谢方面的研究。在此后的研究中， 中外的学者都分开不同的氮和磷的形念来进行研究”o “”。 近几年来，微生物的作用在水体中的作用越来越多的引起了人们的注意，很多 研究人员通过实验来验证微生物的作用对于氮和磷释放的影响。1 9 9 8 年吴根福等人 ”。”3 对于杭州西湖沉积物释磷的初步研究中，实验结果发现将试验装置置于恒温箱 中进行培养，培养的初期总磷和磷酸根均有所下降，随着培养时间的延长磷的释放 逐渐加强，充分的说明了微生物对磷释放的影响。1 9 9 9 年j e f fm o r i n ”。等人采用淘 选法和实验逼近系统法，对河口生态系统中沉积物的缓冲作用进行研究时，发现实 验结果与观察的降解是很相似的。而在各种的水处理厂和河流的沉积物中发生的氮 的各种反应过程也可以说明微生物对于氮从沉积物释放的影响。 1 4 1 沉积物中磷的微生物代谢研究 ( 1 ) 细菌磷代谢的特点和限制条件 对于细菌的摄磷和释磷的研究，首先是从其利用磷的形式和限制条件开始的。 在1 9 9 2 年j a m e sb c o r n e rj r 等研究细菌和浮游植物对于难溶的有机和无机磷化合 物的吸收作用，发现细菌只有发生有机碳或者其他营养盐可利用性限制时才对磷的 利用限制“。与此相类似的实验是m a t sj a n s o n 等对磷饥饿状态的绿藻和假单胞菌进 行培养，发现假单胞菌对磷的吸收服从m i c h a e l i s - - m e n t e n 动力学方程，而且二者在 足够的碳源的情况下都会发生对低浓度的磷和高浓度磷的竞争1 。周岳溪等人在 1 9 9 4 年对于废水处理中的假单胞菌的磷摄取和释放条件进行了时样研究，发现缺磷 河流沉积物中微生物对营养盐释放的影响研究 的环境将会导致假单胞菌的过量摄磷现象，而且无论经过无碳厌氧、无碳好氧还是 无硫厌氧或者无硫好氧的培养后，在富磷的培养基内都会发生过量摄磷的现象“”。 这一试验结果与李广科等人“”2 0 0 1 年研究球形红杆菌的除磷作用结果是相同的。 此外，微生物之间的共生或者竞争的相互关系直接影响到磷代谢，并对生物的 生长有很大的作用“。 ( 2 ) 微生物磷代谢的机理研究 随着研究的深入，微生物的氮磷的代谢的机理已经从生物化学的角度进行了初 步的解释。一般来说有两种说法，质子动势和p h o 调控。 在物质进出细胞的过程中，主动转移是对于营养吸收的一种主要的形式，其所 需的能量大多来源于质子动势( p m f ) ，它是质子化学梯度和膜电势梯度的总和“。 田淑媛等1 经研究实验后认为，从细菌学角度来说，细菌质子移动力在吸磷和释磷 过程中起决定性作用，主要是控制p h b 颗粒在细胞内的积累和消耗。厌氧条件下聚 磷菌中的p h b 迅速合成，好氧时聚磷菌则消耗大量的p h b 和内源物质，产生p m f 把 外部的磷主动转运到体内合成a t p 。而同时也对产碱菌( a c a z g e n e se u t r o p h u s ) 的p t t b 颗粒进行了研究“，发现在营养盐充足的情况下，采用动力学分析醋酸盐对 细胞的生长速率和p h b 的形成的影响。其生长的速率随着醋酸盐浓度的增加而降低， 并遵循指数生长曲线。这一结论与田淑嫒等”“研究认为醋酸盐的释放量与净磷酸盐 的消耗量成正比关系的结论是一致的。在没有细胞增加的稳定状态，醋酸盐的利用 速率和p t i b 的合成速率是以有效生物量( a b m ) 为基础计算，约分别为8 5 m g g a b m h 和 8 m g p h b g a b m h 。然而在指数生长的阶段，醋酸盐的利用率达到了1 6 0 m g h a c g a b m h ， p h b 的合成速率达到了3 0 m g p h b g a b m h 。 细胞中的磷代谢是复杂的，但从根本上来说，任何磷化合物的利用需要两步来 进行的，即磷的吸收和无机磷合成a t p ，之后再利用a t p 合成多种化合物。夏琪等3 对于细菌的磷代谢的分子调控机制进行了另一个层次的讨论，即磷代谢由一种两组 分调节系统p h o 所控制。它由结构和功能类似的两种蛋白族的成员组成的一类信号 传到系统，它控制着磷的最终归宿。这一系统控制着一大类细菌适应性的反应，磷 的代谢始终与p h o 调控子息息相关。 1 4 2 沉积物中氮的微生物代谢研究 ( 1 ) 氮代谢的传统的途径“”删 水体污染的日趋严重，氮的白净作用主要靠氮循环来实现。进入水体的氮按照 传统的方式进行生物降解和转化，如硝化、反硝化、氨化和固氮作用，这些是微生 河流沉积物中微生物对营养盐释放的影响研究 物特有的过程，可以归纳为下面的形式 硝化作用是指氨氮被氧化为亚硝氮，然后进一步氧化为硝态氮的过程。由 于硝化作用需要大量的氧，厌氧的条件下不会发生硝化作用。另外温度和 p h 值也对硝化作用产生很大的影响。 反硝化作用指的是氧化态氮，如亚硝氮和硝态氮被还原为气态氮n ：o 和n ： 的过程，反应过程中有机质作为电子供体被氧化。这一反应需要大量的还 原酶的参与下才可以进行，如亚硝酸盐还原酶、硝酸盐还原酶、氧化氮还 原酶和氧化亚氮还原酶。 ( 2 ) 对于氮的生物代谢的新认识 通过大量的实验数据的积累和对微生物的深入了解，人们发现细菌的分布以及 细菌氮的代谢过程并不是始终不变的。 刘东山等用最大可能数法对东湖不同水期水体及其沉积物中亚硝化、硝化、反 硝化和氨化细菌的分布，结果表明沉积物中的亚硝化细菌丰水期最高，硝化细菌枯 水期最高，反硝化细菌枯水期最低；而氨化细菌则各期无差别。“。 传统的观点认为硝化和反硝化是必然独立的两种现象，是由不同的细菌在不同 的土壤、沉积物或者反应器中进行的。然而8 0 年代和9 0 年代的研究已经证明硝化 和反硝化并不是目前所想象的新陈代谢那样，对二者的严格的分离是没有必要的脚1 ， 同一种生物群可以同时进行硝化和反硝化过程。目前的研究还发现，在厌氧条件处 理过程中硝酸盐作为电子受体，替代氧进行生物除磷，但是在缺氧段碳源的存在抑 止了聚磷菌对于硝酸盐作为电子受体的摄磷作用“”。有些反硝化细菌也具有聚磷作 用3 。 n 2 0 和n o 在硝化和反硝化的过程中扮演的角色，深刻理解二者的作用和掌握二 者的转化规律，是很多科学家一直以来关心的问题。如郑平螂在总结前人关于n 0 是 1 0 河流沉积物中徽生物对营养盐释放的影响研究 不是生物脱氮的中间产物的争论观点，结合生物脱氮研究的证据说明了n o 是大多数 细菌脱氮的中问产物。而t u s u i ，i 。k o i k e 等1 采用应用1 5 n 作为示踪剂( 添加 “n - n 0 3 ) 实验，通过比较硝化和反硝化过程中n 2 0 产物变化，对河口沉积物( t a m a 河 口，日本) 中的o 产生控制进行了研究，表明n 0 3 一的增加和上覆水的0 ：的增加似乎 是刺激了硝化和反硝化作用。由于硝化和反硝化作用，通过电子受体和供体0 3 + + n 0 2 的平衡，在反硝化过程中n ：o 代谢的变化对于控制近海岸沉积物的n 2 0 的产生是一个 重要的因素。 1 5 目前研究的热点与展望 1 1 5 1 微生物的分离鉴别和培养 对不同细菌的分离、鉴定和培养以及组合菌种的氮磷代谢能力和机理进行研究 是目前的一个热点。 如周康群等对于不同来源的菌种进行了组合，分析其对氨氮的降解的效果， 对于高效的菌株进行了组合和筛选；邓晓皋等。”从污泥中分离得到光合细菌，对其 进行鉴定并通过实验证明其对于污水的净化效果；郑金来“”等通过富集从土壤中筛 选的硝化细菌，对其进行了形态学检验和硝化速率的测定，并通过p c r 、测序等技术 对其鉴定。 而对于磷代谢细菌的筛选和鉴定同时进行了很多，如范丙全等人”从土壤中对 溶磷草酸青霉菌筛选及其溶磷效果的初步研究，并在不同的条件下对其溶磷的效果 进行了研究；李广科等人”对溶磷细菌溶磷效果的研究，发现不同的碳源、硫源都 将影响球形红杆菌废水除磷作用。c 。s h e k h a rn a u t i y a l 1 等人进一步探讨了溶磷菌 释放的机理，分离得到四种磷溶细菌都在不同的碳源和氮源的条件下表现了不同的 水平的溶磷作用。产酸的作用可能对于溶磷有很大的作用，但是这不是磷向介质释 放的唯一的原因。 通过这些高效菌种的筛选和组合，可以实现对不同来源和性质的污染物进行专 门的处理以达到最佳利用。而且这些特殊功能细菌的鉴别和应用有利于对微生物的 深入了解和对其机理的进一步探讨。 1 5 。2 影响氮磷代谢的因素的研究 影响氮磷代谢的因素有很多，每种因素的作用机理和效果各不相同，所以在这方 面仍然需要进行深入的研究和积累基础的资料。这里简单的分为两类，即生物因素和 非生物因素。 河流沉积物中微生物对营养盐释放的蟛响研究 ( 1 )非生物因素 环境中的微生物和各种因素之间的影响是相互的，错综的复杂关系中总是有最 重要的影响因素存在。如张波等人”1 研究了光照、碳源、酸碱对光合细菌球形杆菌 摄磷能力的影响，实验结果表明这种菌在光照下过量摄磷黑暗下释磷，在碱性下过 量摄磷酸性时释磷。邹华汹1 研究表明，硝酸盐有作为电子受体进行生物除磷的作用， 在缺氧的条件下磷的摄取速率与硝酸盐的质量浓度有关，浓度越高速度越快。c s h e k h a rn a u t i y a l 1 等人则发现了少量的c a 2 + 和e d t a 的存在可以加强某些细菌溶磷 作用。t k u b a 1 研究了氧对于反硝化除磷菌的活性影响，结论认为氧对于反硝化除 磷菌没有决定性的影响。 ( 2 )生物因素 在整个生态系统中，微生物之间的相互影响对于氮磷的代谢有很大的贡献，如 竞争，共生或者协作等关系。王晓蓉等“7 1 在太湖沉积物的磷释放研究中发现，藻类 与沉积物共存时增加了沉积物中磷的释放量，同时沉积物进一步促进了藻的生长。 藻菌共生对促进沉积物的磷的代谢进而影响水体的富营养化具有重大的作用。刘玲 莉等“”从一株太湖微囊藻上分离到细菌并研究了其生长及磷代谢。实验结果表明由 于葡萄糖的存在培养液中的a t p 浓度的增加，会使得处于高能体系的菌体自身能量的 代谢受到抑止。而藻类生长与颗粒磷有很好的线性相关，但颗粒需要细菌的协助才 能被藻类所利用。但二者共生关系的机理未见报道。f a t i m a hm y u s o f f 等人”则直 接采用了池塘沉积物的问隙水进行对一种硅藻( c h a e t o c e r o sc a l c i t r a n s ) ，一种 绿藻( n a n n o c h l o r o p s i so c u l a t a ) 和一种细菌( o s c i l l a t o r i as p ) 进行培养，结 果表明，外加的氮和硅有利于硅藻的生长，而磷则抑止其生长。与此相反，外加的 氮限制了细菌的生长，而磷却促进了细菌的生长。 此外，还有人对不同种类的细菌的竞争进行了研究。如j o h a n n aw n i j b u r g 等” 研究了代表性的除氮细菌荧光假单胞菌和发酵性氮氨化细菌地衣芽孢杆菌各自的生 态位以及二者之间对于氮和葡萄糖的竞争。研究发现在连续厌氧葡萄糖限制和波动 厌氧的条件下( 1 6 h l o 和8 h 0 的空气饱和度) 地农芽孢杆菌全部消失。试验者认 为是荧光假单胞菌相比地衣芽孢杆菌对于对氮和葡萄糖有高度的亲和力。地衣芽孢 杆菌在在连续的厌氧氮限制和波动厌氧条件下( 8 h ，1 0 和1 6h ，o 的空气饱和 度) 能够在恒化器内维持生命，这是由于它本身可以进行发酵作用来保持葡萄糖的 供应。 所有的生物因素和非生物因素对微生物的氮磷的代谢都是同等重要的，而且这 些因素在不同的水体和不同的。但研究者却需要抓住主要的因素来考虑，而忽略次 1 2 河流沉积物中微生物对营养盐释放的影响研究 要的因素。 1 6 实验的目的、意义和研究内容 1 6 1 研究的意义 在过去的一个世纪中，海滨地区的有机物的污染已经成为一个严重世界性问题。 其中的一个主要的压力来自于过量的营养盐( 氮和磷) 的输入，导致了一个水体的 营养状态的改变，并最终导致富营养化的发生。虽然对于富营养化的影响是耳闻目 睹的，对于控制其影响的机制却知之甚少“。虽然这种对微生物的影响对于生态系 统的功能的各方面都有很重要的作用，但通常不引起人们重视。 水体富营养化研究表明，当外源性氮、磷等营养元素被截持后，吸附在沉积物中 的氮、磷仍可导致水体富营养化。因此，沉积物又被认为是水体污染的内源。当前， 在世界的许多国家和地区，沉积物的污染作为一个重要的环境问题被单独列出。因此 加强对沉积物中营养盐释放问题的研究，对水环境质量的改善和保护具有重大意义。 目前水体环境质量的改善和恢复措施多集中与对外源氮磷负荷的削减，而内源 的氮磷释放极大的削减了其实际效应。氮磷的释放主要取决于各种物理、化学、生 物因素的影响。对于沉积物中的影响氮磷迁移转化的因素分析，可以为改善和提高 沉积物中生态环境质量以及采取治理措施提供依据。 1 6 。2 本实验内容和目的 虽然对于富营养化的影响是耳闻目睹的，对于控制其影响的机制却知之甚少。 从另一方面来说，这种微生物的影响对于生态系统的功能的各方面都有很重要的作 用，但是通常是不引起人们重视的。在试验研究中，还没有人对影响一种沉积物的 氮磷释放的环境因子进行综合的实验，更没有对微生物的影响进行定量的研究；目 前需要对于氮磷的垂向分布和微生物的垂向分布作深入的研究和探讨：对高效降解 氮磷的菌株的组合培养以及藻菌共生关系仍然是进行环境治理和生物修复研究的热 点；对于微生物的氮磷代谢的内部机制，或者生物化学机制的研究需要进一步加强， 从根本上解决问题。 目前，对于水体沉积物的研究可以这样来概括，研究人工沉积物的较少而天然 的沉积物较多，研究沉积物特性水平差异较多而垂直差异较少，对于沉积物的物理 化学性质研究较多而对生物因素研究较少。 在研究中，大多研究者通过柱状采样器获得样品，所得样品通过分段截取的办 法分析物理化学性质，并在研究范围内多处布点采样进行比较。这种分析的天然样 河流沉积物中微生物对营养盐释放的描响研究 品多为“一次性”使用，不能够长时间连续观测，因为脱离了天然的环境加之众多 不可控制条件的影响，所得数据也难以恰当表述真实的自然状况。 本实验设计采用大型圆柱容器作为反应器，采用经过晾干、研磨和过筛处理的 沉积物作为柱状样( 沉积物5 0 c m ，上覆水6 5 c m ) ，在可以控制外部条件下，对沉积 物补充水分进行培养和监测。与天然的沉积物相比，人工处理的沉积物具有几个优 点：了解沉积物的各种背景指标，可以有效地调节控制实验条件；可以选取有代表 性的沉积物作为研究的对象；具有可以恢复的生物相；可以长时间连续培养和分析； 获得分析所需的孔隙水方便。 微生物，尤其是细菌，在营养盐的循环、有机物的转化、矿物质和能量的流动 等方面扮演这重要的角色，因此是这一生态系统中新陈代谢水平的重要标志。微生 物是对有机物污染的重要参与者，同时是更高的营养水平的食物来源。微生物对于 环境变化反应迅速，因其在生态系统中的功能和在自然界普遍存在，所以微生物水 平也是生态系统健康的潜在体现者。 本实验的研究目标是在3 0 天的沉积物培养实验过程中，通过等间断采样的方法， 对沉积物和上覆水发生的物理、化学指标的变化以及几种细菌数量的变化进行监测。 由于，经过人工处理的沉积物降低了部分有机物的生物可利用性和难以恢复到天然 的氧化还原条件，所以有些研究者认为“经过实验培养的沉积物需要1 0 1 5 天才 能达到物理和化学性质平衡，而微生物的生长也因为营养条件的限制在1 5 天后发生 变化。而对于沉积物的毒性检测实验则发现，人工处理的沉积物需要经过