（环境工程专业论文）西湖沉积物中微生物对有机磷循环影响研究.pdf

浙江大学硕士毕业论文 摘要 过量的磷是引起湖泊富营养化的主要原因，因而关于湖泊沉积物一水界面处 磷循环的研究显得极为重要。近些年来，许多研究指出沉积物中的微生物对磷的 吸收、贮存和释放在磷循环中起着极其重要的作用。无论疏浚前后，西湖沉积物 中有机磷的含量都较高，占总含量的5 0 8 0 ，所以西湖中的有机磷的循环有 进一步研究的价值。 论文借鉴土壤的有机磷分级体系，筛选发现i v a n o f f 有机磷分级体系下西湖 各点各有机磷组分含量更能反映西湖有机磷的特质。在后续研究中，有机磷的组 成分分析方法采用i v a n o f f 有机磷分级体系。 本研究通过室内模拟湖泊沉积物一水界面环境，考察了在微生物作用下，上 覆水t p 浓度、间隙水t p 浓度及沉积物各种不同形态有机磷含量的变化趋势 分析微生物在湖泊沉积物有机磷循环中所起的作用。还采用氯仿熏蒸提取法测定 沉积物微生物量，测定微生物碱性磷酸酶活性，以表征微生物的生长状态。结果 表明微生物生长对有机磷含量与其组分含量有直接的影响。大致可推断出微生物 对沉积物有机磷作用的时间为：第6 天左右开始微生物对有机磷产生作用此时 主要以同化作用为主；第8 天到第1 2 天是微生物生长的高速期，微生物对沉积 物有机磷的作用以分解有机磷为主；第1 4 天左右微生物对有机磷的作用表现为 矿化作用；第2 4 天左右又出现一次明显的矿化作用。西湖沉积物中的微生物对 沉积物有机磷的分解到1 t 周后彳出现矿化，与土壤的类似。肌肌醇类多磷酸盐 类有机磷的较大比例存在与被分解导致了中活性有机磷到无机磷的转变大于活 性有机磷的矿化。 此外，实验还对西湖沉积物不同湖区细菌和有机磷细菌的丰度进行了测定， 并纯化分离出六株具有分解有机磷能力的菌种。其中有机磷细菌湖心最多，达 9 9 + 1 0 4 个，m l 。 在对六株有机磷分解菌进行生态学观察和生理生化学的研究过程中发现其 形态和特征各异，将六株有机磷分解菌的解磷能力进行比较，2 号菌种有较其他 菌种强十倍以上的解磷能力，为明显的优势菌种。利用分子生物学1 6 s r d n a 方 浙江大学硕士毕业论文 法并结合之前的形态学生理生化研究表明优势菌种2 号有机磷分解菌与 a q u a s p i r i l l u m ( 水生螺菌属) 有较高的同源性。 关键词：西湖沉积物疏浚有机磷分级微生物1 6 s r d n a 浙江人学硕十毕业论文 a b s t r a c t u n d e r s t a n d i n gp h o s p h o r u sc y c l i n g a tt h es e d i m e n t w a t e ri n t e r f a c ei nl a k e si s i m p o r t a n tb e c a u s eo f t h ek e yr o l eo fpi nc a u s i n gl a k ee u t r o p h i c a t i o n ，r e c e n ts t u d i e s h a v es u g g e s t e dt h a tt h eu p t a k e ，s t o r a g ea n dr e l e a s eo fpb ym i c r o o r g a n i s m si nl a k e s e d i m e n t sc a nb eo fm a j o ri m p o r t a n c ei np c y c l i n gi nl a k e s e i t h e rb e f o r eo ra f t e r d r e d g i n go f t h ew e s tl a k e ，t h eh i i g h e rc o n c e n t r a t i o no f o r g a n i cp h o s p h o r u s ( o p ) i nt h e s e d i m e n tw h i c ho c c u p i e d5 0 8 0 o ft o t a lp h o s p h o r u s ，s h o w e dt h a ti ti sm e a n i n g f u l t os t u d yi nt h eo r g a n i cp h o s p h o r u s c y c l i n gi nw e s t l a k e t h eb o w m a n - c o l ea n di v a n o f fm e t h o dw e r e e m p l o y e df r a c t i o n a t i o n o fo r g a n i c p h o s p h o r u si nt h es e d i m e n to fo r g a n i cp h o s p h o m si n t h es e d i m e n to fw e s tl a k e r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ei v a n o f fm e t h o dm i g h tb em o r es u i t a b l e t h ei n f l u e n c eo fm i c r o o r g a n i s mo no p - c y c l i n ga tt h es e d i m e n t - w a t e ri n t e r f a c ew a s s t u d i e di na ne x p e r i m e n t a ls y s t e m t h ed i s t r i b u t i o no fm i c r o b i a lb i o m a s s ，w h i c hw a s d e t e r m i n e d b yt h e c h l o r o f o r m f u m i g a t i o n e x t r a t i o nm e t h o d ，a n dt h ea c t i b i t y o f a l k a l i n ep h o s p h a t a s ew e r eb o t hm e a s u r e di no r d e rt op r e d i c tt h es t a t eo fm i c r o b i a l g r o w t h r e s u l t ss h o w e dt h a ta f t e r6d a y s ，t h ec o n t e n to fo pb e g a nt oi n c r e a s ec l u e i n g t ot h eu p t a k ea n ds t o r a g eo f p h o s p h o r u sb ym i c r o o r g a n i s m b e t w e e n14d a y sa n d2 4 d a y s ，t h ec o n t e n to fo pd e c r e a s e db e c a u s eo ft h em i n e r a l i z a t i o np r o c e s sc a u s e db y m i c r o o r g a n i s m ，w h i c h w a s d i s p l a y e db y t h e a c t i v i t y a l k a l i n e p h o s p h a t a s e t h e r e f o r e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e c o m p o s i t i o no fo pb ym i c r o o r g a n i s mw e r e c h a n g e d t ot h em i n e r a l i z a t i o n p r o c e s sj u s t a f t e r1 - 2 w e e k s ，e s p e c i a l l y f o rt h e m o d e r a t e l yl a b i l eo r s i xs t r a i n so fb a c t e r i a , w h i c hh a v et h ea b i l i t yt o d e c o m p o s eo r g a n i cp h o s p h o r s , w e r e i s o l a t e da n dp u r i f i e df r o mt h es e d i m e n t so fw e s tl a k e i nt h i ss t u d y , t h ea m o u n to f w h i c hr e a c h e dt o9 9 + 1 0 4p h o s p h o b a c t e r i a m l ，b e i n gt h em o s ta b u n d a n t i nt h ec e n t e r o ft h el a k e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f c o l o n ym o r p h o l o g y , s i xo pb a c t e r i a w e r es e l e c t e da n dt h e i rf o r m sa n db i o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r e t e s t e d l a b o r a t o r y 浙“人学硕十毕业论文 t e s t so np h o s p h o r u sr e l e a s i n ga b i l i t i e so fs i xo pb a c t e r i as h o w e dt h a to p 2h a dt h e h i 曲e s to r g a n i cp h o s p h o r u sr e l e a s ea b i l i t y , w h i c hw a st h ed o m i n a t eo pr e l e a s i n g b a c t e r i u mi nw e s tl a k et h es t r a i n so fo p 2w a ss e l e c t e da n di t sm o l e c u l a r c h a r a c t e r i s t i c sw a sa l s ot e s t e db y16 sr d n a ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a to p 2s t r a i n s w a s c l o s e l yr e l a t e d t oa q u a s p i r i l l u m k e y w o r d s ：x i h u l a k e ，s e d i m e n t ，d r e d g i n g ，o r g a n i cp h o s p h o r u s ，o r g a n i c p h o s p h o r u sf r a c t i o n a t i o n ，p h o s p h o b a c t e r i a 、p h o s p h o r u sr e l e a s e ，1 6 sr d n a 浙江人学硕十毕业论文 致谢 “学习如逆水行舟，不进则退”，这是许久以前就开始的对自己的激策之言， 而今回头望，已是轻舟渐过万重山，一路滋味，点滴在心。写在这部论文前的， 是我的感谢之情，也许这并不是一部完美的论文，但这部论文的完成，要感谢的 人真的很多，谨以此文表达我的诚挚谢意。 首先非常感谢我的导师陈英旭教授在我三年研究生生涯中给予的关心与帮 助，他不仅以他那广博的学识体系、严谨的治学态度、缜密的思维能力深刻地影 响着我，更让我学到了许多为人之道。在三年的研究治学的过程中，导师给了我 鼓励和点拨，使我终于能做出一点成果。导师的传道授业解惑让我得盏终生，借 此机会我谨向导师表示最衷心的感谢! 其次，感谢何云峰副教授、楼莉萍博士和李文红博士在学术研究上的指导和 对我生活的关心与帮助，你们的悉心指导让我获益良多。感谢本课题组的林琦副 教授、田光明研究员、吴伟祥副教授、王飞儿副教授、施积炎博士、吴坚阳博士、 张志剑副教授，你们给了我宝贵的建议和无私的帮助。特别要感谢谢先德教授级 高工和虞左明教授级高工，你们的关怀和鼓励，督促我不断前进。 再次，感谢本课题组的朱广伟博士、陈华林博士、刘和博士、殷峻博士、薛 生国博士、会赞芳博士、沈梦蔚硕士、杨世迎博士、吴晓娜硕士、董春颖硕士、 崔昕毅博士、李立硕士、梁新强博士、李华博士、俞巧刚博士、张秋玲博士、田 平硕士、胡少平博士、王宇峰硕士、陶星名硕士、詹晓燕硕士、丁晔硕士、王兆 炜硕士、舒涛硕士、王远鹏博士、丁颖博士、张杭君博士、沈超峰博士、王云 龙博士、郑玲娟硕士、石德智博士、武贝博士、宁雄义硕士、王慧硕士等。求 学过程中幸赖这许多同学朋友的协助，让我得以拥有美好的求学生活。 同窗之谊和手足之情，我将终生难忘! 还要感谢浙江大学环境工程系的所有老师，感谢所有曾经关心我、帮助我、 支持我的师长学友，衷心祝你们幸福、安康! 最后，感谢我亲爱的家人和我的男友王栋硕士，他们长久以来的支持、鼓励 和包容，是我度过挫折与困难的力量。 浙江人学硕十毕业论文 路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。且以此文为自己的求学时代暂划一句号 明天的路，我将尽其所能，勉励前行。 i i 许云台 2 0 0 5 年5 月1 3 日 乙酉年四月初六 于华家池畔 浙江大学硕士毕业论文 第一章文献综述 1 1 湖泊中磷的形态与磷的沉积物水界面循环 磷在内陆水体营养元素的循环中占有极重要的地位，对于绝大多数地处亚热 带、温带的湖泊，磷是影响湖泊生态系统中初级生产力的最主要影响因子 t j 。以 往的研究表明。在浅水湖泊的磷总量平衡中沉积物磷占了相当大的比例，可构成 整个内负荷的6 0 一8 0 1 2 , ”。沉积物是水体中磷的源和汇，在大多数水体中，存 在磷的净沉降，沉积物作为磷的“汇”，在某些高营养水平的水体中，在短时间内， 磷从沉积物的释放可能超过磷的沉降，使得水体中磷的浓度保持较高的水平，沉积 物便成为磷的“源”。沉积物通过滞留在水体中的磷或者自身释磷等不同作用柬 影响湖泊的营养程度和生产力。当入湖营养盐减少或完全截污后，沉积物营养盐 的释放作用仍会使水体处于富营养化状态，甚至出现“水华”( 湖泊水质呈富营 养状态时，水面藻类增殖，成片成团地覆盖湖水表面，这一现象被称为水华) 。磷 是造成湖泊水质富营养化的关键限制性因素之一，研究磷在沉积物一水界面的循 环对于湖泊富营养化的治理起着关键的作用。 1 1 1 湖泊中磷的来源 通常说来，湖泊水体中的磷主要来源于流域岩石土壤的风化侵蚀产物、大气 沉降、工农业生产以及城市生活废水等。自然条件下，流域岩石土壤风化侵蚀产 物是湖泊主要的磷来源。人为污染排放是湖泊水体中磷负荷的一个重要来源，在 受人为影响较大的湖泊水库，这种来源的磷要远远超过自然输入过程，对湖泊生 态系统的危害性也极大。人为排放的磷己成为非常引人注目和受到广泛讨论的焦 点。人为污染造成的磷来源5 - ) - 为“点源”和“面源”，研究表明，最大的磷的点 污染源是大量使用的工业和家用洗涤剂，而最重要的磷的面污染源可能是农业施 肥的结果。目前许多湖泊面临的富营养化问题，主要是由于人为污染引起的。 浙江大学硕士毕业论文 1 1 2 沉积物中和水中磷的赋存形态 1 1 2 1 沉积物中的磷 沉积物中的磷包括有机形态的磷和无机形态的磷。有机形态的磷大致和一些 已知的生物体组成中的含磷有机化合物相似，如植素( 菲丁及其衍生物) 、核酸、 磷脂、磷蛋白、代谢磷酸盐等。其中植素可在植素酶或磷酸酶的作用下，水解脱 去磷酸离予或部分地脱去磷酸离子，即植素分解，并释出磷酸根使成为有效磷。核 酸比较容易为磷酸酶所水解，而分离出磷酸、糖类及含氮基【4 、5 i 。 无机形态的磷种类较多，成份也比较复杂，大致可分为矿物态、代换态和水溶 态【6 】。( 1 ) 矿物态：磷酸铁、铝和磷酸钙、镁是沉积物中矿物态磷的两大类型， 它们在沉积物中的相对含量，除了和母质来源有关外，还随p h 而变化。酸性沉积 物中铁铝氧化物含量较高，易形成次生的磷酸铁铝盐；而在中性碱性沉积物中则 碳酸钙含量较高，易形成磷酸钙盐。( 2 ) 代换态：包括通过各种引力为沉积物固 相吸附的磷酸或磷酸根阴离子，其中包括代换态磷。代换态磷通常以h 2 p 0 4 一和 h p 0 4 2 一为主。由于胶体所带的阴电荷随p h 下降而提高，因此代换态磷一般也 随p h 下降而增高，而且还能随p h 的调节而释出。( 3 ) 水溶态：是指溶于间隙 水中的磷，主要是j f 磷酸，还存在着金属离子与磷酸根形成的可溶性络合物。 1 1 2 2 水体中的磷 天然水中磷以溶解态、悬浮态和胶体三种物理状态存在”。磷虽然有许多化 合形态，但溶解在水中的主要也是正磷酸。其他形态的磷化台物，不论是卤化物、 氧化物或次磷酸( h 3 p 0 2 ) 、亚磷酸( h 3 p 0 3 ) 、偏磷酸( h p 0 3 ) 、焦磷酸( i - h p 2 0 7 ) 等均可通过水解或歧化作用转变为f 磷酸，而以f 磷酸最为稳定。除了离子态的 磷酸根，溶液中还存在着磷酸根与金属离子所形成的可溶性络合物。在水中还经 常含有一些可与磷酸根形成络合物的会属离子，如k + 、n a + 、c a 2 - 、m 2 2 + 等。 1 1 2 沉积物水界面磷的循环 制。 磷在沉积物一水界面循环受沉积物吸附、释放以及间隙水扩散三个作用的控 浙沮大学硕士毕业论文 1 1 2 1 沉积物吸附和固定 沉积物对磷的吸附和固定，除了微生物通过同化作用而变为有机态外，对水 体磷酸根的吸附，主要是沉积物中的粘土、铁铝氧化物、碳酸钙等矿物颗粒对磷 酸根的专性吸附，其中尤以铁铝氧化物的吸附作用最强烈。此外还有微生物通过 吸收同化而产生的磷的生物固定。沉积物对磷的吸附包括两个阶段，即“快速过 程”和“慢速过程”，快速过程是由最初的表面快速吸附即磷和铁氧化物吸附点 位的表面作用所产生：慢速过程则包括随后的进入矿物晶格内部的慢速扩散和含 磷沉淀物的缓慢形成两个过程【89 1 。沉积物对磷的吸附特性可用l a n g m u i r 或 f r e u n d i l c h 方程很好的描述【l 。铁、铝氧化矿物的吸附作用是沉积物中磷滞留的 重要机制。非石灰性沉积物对磷酸盐的吸附主要是由于其中的无定形及非结晶铁 氧化矿物造成的，它可通过代换吸附和专性吸附而吸附磷。富含无定形铁及非结 晶铁的沉积物在好氧条件下可吸附大量的磷，在厌氧状态下释放出来而在沉积物 深层中埋藏起到非常好的磷蓄积库作用。 沉积物对磷的吸附影响因子包括水体p h 值和沉积物自身的颗粒组成和化 学组成特征等。水体p h 值、沉积物的化学特性、矿物学特征都可影响磷的最大 吸附量。s l o m p 对北海8 个氧化态的沉积物进行吸附特性研究、发现不同类型沉 积物间对磷酸赫吸附容量存在很大的差异】。 1 1 2 2 沉积物释放 沉积物和水之涮存在着一种吸收和释放的动态平衡。一般认为沉积物中磷的 浓度较大，从而形成一个向上的浓度梯度，这是造成沉积物释放的个客观条件。 沉积物磷的释放涉及到的过程有解吸附、扩散、配位体交换以及水解作用。当沉 积物中磷以可溶无机磷形式存在时，可通过扩散、沉积物再悬浮( j z 2 9f 起) 、生物 扰动以及气体沸腾等方式进入上覆水体。传统上描述磷释放的化学模式是还原环 境下有利于p 的释放，而氧化环境下有利于p 的沉积。湖泊水体中的物质进入沉 积物水界面后，在沉积物早期成岩过程中，沉积物中有机质氧化降解，使得沉积环 境处于相对还原条件，此时沉积物中的铁氧化物或氢氧化物溶解，与之结合的磷酸 赫也可能溶解释放。进入沉积物中的磷可能以三种形式向水体释放，( 1 ) 有机质 的矿化分解，释放出溶解性的磷酸盐。( 2 ) 铁氧化物解吸作用也是一个可能释磷途 径，在沉积物中，尤其是表层沉积物，绝大多数的磷酸盐可能是与非晶质或短序络 浙江人学硕十毕业论文 合物呈共价键形式结合，这些络合物在成份上与水合铁氧化矿物有关。与铁氧化 物结合的磷和有机磷一样，相对其他形式的磷较为不稳定，当环境氧化条件变化时， 很容易释放出来：而还原作用也能使阳离子f e ”还原为f e ”，而使被氧化铁束缚的 磷释放。( 3 ) 沉积物扰动可能会使分层氧化带之下的孔隙中的溶解磷直接向上覆 水体释放。 影响沉积物磷释放的因素包括有( 1 ) 沉积物中磷的含量和形态：沉积物中 磷的结合态及形态之间的相互转化是控制沉积物一水界面间磷循环的一个主要 因子。沉积物释磷量的多少并不与沉积物中的含磷总量成比例关系，释放进入阳j 隙水中的磷大部分是无机可溶性磷。在厌氧释放过程中，存在着有机磷向无机磷 转化，铁磷、铝磷向钙磷、闭蓄态磷转化的趋势，沉积物中总磷浓度不断减少，就是 磷形态迁移转化动态平衡的结果。( 2 ) 沉积物组成：在非石灰性湖泊沉积物中铁、 磷、有机碳含量高于石灰性沉积物，前者在好氧状态下磷释放受铁氧化物吸附作 用的抑制。在石灰性湖泊沉积物中，c a 2 + 浓度也是影响沉积物释磷的不容忽视的因 素，磷灰石溶解平衡影响着湖泊中磷的含量。此外，硫酸盐含量也是控制p 释放 的极其重要的变量。( 3 ) 环境因子：氧化还原电位、生物活性、p h 值、温度和 扰动。其中扰动对浅水湖泊来说是影响沉积物水界面反应的重要因素。动态条 件下磷从沉积物的释放量远大于静态条件的释放量。扰动使沉积物再悬浮，促进 沉积物中磷的释放，同时加速了沉积物间隙水中磷的扩散，从而增加了磷的释放， 直至释放与沉积吸附达到一种动态平衡 1 2 1 3 1 。 1 1 2 3 间隙水中磷的扩散 通常磷释放时，首先进入的是沉积物的间隙水，进而向上层水土界面和上覆 水混合扩散。沉积物间隙水中磷向上覆水体的交换通量除了和表层沉积物的再悬 浮有关外，还取决于以下两个过程：( 1 ) 沉积物底部间隙水由于浓度梯度而引起 的扩散。一般认为，沉积物间隙水中总溶解磷( d r p ) 的浓度梯度越大则间隙水与 上覆水体的交换通量越大。但最近的研究表明，沉积物间隙水中d r p 的浓度梯 度不能很好反应磷的交换通量，两者的相关关系并不明显f ”】。但) 沉积物表层的氧 化还原行为。沉积物中磷的短时期的滞留和释放通常认为是由氧化还原电位决定 的。当氧化表层出现时，大量的磷酸根通过铁氧化物的吸附而滞留在沉积物中， 4 浙江火学硕十毕业论文 然而当氧化层很薄或不存在时，从有机质或铁氧化物还原释放出的磷就可释放到 上覆水体中。所以最近有人提出，沉积物一水界面的物理化学条件在控割磷的 流量作用中比总溶解磷的浓度梯度更重要。 1 。2 沉积物中磷的分级研究 1 2 1 磷分级方法的研究 沉积物中磷的结合态及形态之间的相互转化是控制沉积物水界面间磷循 环的一个主要因子。因而弄清沉积物中磷的形态及其相对丰度对于研究内源磷的 特征，揭示水体富营养化问题的本质具有重要意义。沉积物中磷的形态研究中目 前最成熟、最理想的是化学连续提取法。化学连续提取法的基本原理是采用不同 类型的选择性提取剂连续地对沉积物样品进行提取，根据各级提取剂提出的磷的 量间接反映出沉积物磷的释放潜力。根据提取剂的种类和连续提取方案的不同， 沉积物中各形态磷分级化学提取方法有很多，但迄今为止，还没有一个通用的沉 积物p 分级分离的方法，并且所有方法只是基于操作上的便利而非基于化学计量 或结构上的研究，这与沉积物p 种类的高度可变性和复杂性有关。 沉积物中p 的形态分级化学提取研究方法最初是从土壤化学相应的研究方 法借鉴而来。c h a n g 和j a c k s o n l 2 1 1 创造性地将土壤p 分为弱结合态p ( 或不稳性 结合态、松结合态p ) 、铝结合态p 、铁结合态p 、钙结合态p 、闭蓄态p 及有机 态p 等，这也是目前主要的土壤p 分级方案的基本标准。我国学者翁焕新将c j 法稍加修改。后w i l l i a m s 等人将该法改进开始用于沉积物磷的提取并提出沉积 物磷( p s ) 的概念，将沉积物分为磷灰岩磷( a p ) ，非磷灰岩磷( n a p ) 及有机磷。 后来，h i e i t j i e s 和l j j k l e m a 将沉积物了那分为不稳定性磷( n 地c i r p ) 、f e 、a i p ( n a o h r p ) 、c a - p ( h c l 一r t o ) 2 残磷【2 ”。随后人们对沉积物中p 的分级分离进行 了大量深入细致的研究，提出了许多更有效更精细的实验方案。在众多的研究方 法中，以r u t t e n b e r g ( 1 9 9 2 ) ( 表1 1 ，r 法) 和g o l t e r m a n ( 1 9 9 6 ) ( 表1 - 1 ，g 法) 的工 作最具代表性，其中r u t t e n b e r g 发展的s e d e x 提取法( 表l 一1 ，g 法) 被广泛用于 河口及海洋沉积物p 的化学存在形态研究中，获得了很好的研究效果【2 3 - ”1 。 浙江大学硕士毕业论文 表卜1 沉积物p 分级提取的各种方法 t a b 1 - 1e x t r a c t i o ns c h e m e sf o rd e t e r m i n i n gt h ef r a c t i o n so f s e d i m e n t p h o s p h o u s 方法提取刺提取纲分 an h - c 1lo m o l 【，“ 不稳定性p bn h f0 5 m o ll ，p h 8 2 铝结合态p c j 法( 1 9 5 7 cn a o h0 1 m o l 。l “ 铁结合态p 年) d h c l05 m o ll “ 钙结合态p e c b d 可还原水溶性p f n a 0 h 惰性p a 柠檬酸钠一碳酸氢钠一连二硫酸钠非磷灰岩p ( n a p ) w 法( 1 9 6 7 年) o 2 2 l - o 1o m o f l - i b n a o h0 i m o l l ” c h e l0 5 m o l 。l 。 磷灰岩p h l 法( 1 9 8 0 8 n 1 c l1 0 m o l l - 不稳定性p _ 、 b n a o h0 1 m o l l “ 铁铝结合态p c h c l0 ，5 m o l l “ 钙结合态p ah z 0 水溶性p b 碳酸氢钠一连二硫酸钠0ll m o l l “4 0 可还原水溶性p n a 0 hl0 m o ll h c l0 5 m o l l 铁铝结合态p 钙结合态p e n a o h1 0 m o l 。l 一8 0 1 2 惰性p a 氨基- - 7 _ , 酸钙0 0 2 m o l l 。 铁结合态磷 c 。s s 年，+ 篡鬣弋鬻1 一 一! ：型垄：里里! 里! ：! ! 竺竺型旦：! 塑壁垒查型 a i m o l l 1m g c l 2 ，p h 8 可交换性p b 柠檬酸钠碳酸氢钠一连二硫酸钠碳酸氟磷灰岩p r 法( 1 9 9 2 年) n3 1 0 0 1 4 ，4 m o i - l - 。 c 1 0 m o l 一n a a c n a h c 0 3 p h 4氟磷灰岩p ，钙p d h c i1 0 m o l 。l “ 氟磷灰岩p e 5 5 0 ( 3 灰化，i m o l l “h c i 有机p a 0 0 5 m o l l c a 。e d t a + 1 n a 2 s 2 0 4铁结合态p ( t r i s 凋p h = 7 8 ) g 法( 1 9 9 6 年)b 0 1 m o l - l - 1n a 2 - e d t a ，p h = 4 5 钙结合态p c 0 5 m o l l 。h 2 s o +酸可溶性有机p i 五i = = j l 兰旦塑兰1 坚譬芏翌! 一 塾金查垫! 连续提取法 a m g c l zi m o l l 。p h = 8 易溶- 陛和弱吸附性谣一 ( 1 9 9 8 年)b n h f0 5m o l l 。p h = 8 2 铝结合态磷 c n a o h0 i m - o 0 5 m n a ，c o 。 铁结合态磷 d 柠檬酸钠一碳酸氢钠一连二硫酸钠闭蓄态磷 ( 0 3 m 1 o m 1 1 2 5 9 ) p h ：76 ( 搅拌1 5 分钟) 6 已出 ) 年 5g 法p 浙江大学硕士毕业论文 1 2 2 有机磷分级方法的研究 每一种湖泊沉积物磷分级方法中都有未能提取的残磷存在，残磷是总磷除去 各反应性磷后的剩余部分，并主要以有机磷的形式存在。可以发现，对磷分级的 研究已形成了一定的体系，但关于有机磷分级的研究报道几乎为零。但我们可以 通过土壤中有机磷的分级来进行讨论。土壤有机磷形态的分级研究始于2 0 世纪 6 0 年代，至b o w m a n 和c o l e 提出第一个比较完善的土壤有机磷分级体系后，这 浙江人学硕士毕业论文 方面的研究才有了较大的进展 国内外许多学者先后提出了多种土壤有机磷分级体系，它们是：( 1 ) b o w m a n c o l e 提出的土壤有机磷分级体系及其修正体系：( 2 ) i v a n o f f 等提出的有 机土有机磷分级体系：( 3 ) h e d l e y 等提出的土壤磷素分级体系及其修正体系； f 4 ) t i e s s e n 等提出的土壤磷素分级体系( 2 8 】。b o w m a n c o l e l 9 7 8 年提出了第一个较 完善的土壤有机磷分级体系 2 ，该体系将土壤有机磷分为4 种形态：( 1 ) 活性 有机磷用o 5m o l l n a h c 0 3 ( p h = 85 ) 浸提：( 2 ) 中活性有机磷，由溶于10m o l l h 2 s 0 4 的有机磷和溶于0 5m o l l n a o h 的无机磷组成：( 3 ) 中稳性有机磷( 富里 酸磷) ：( 4 ) 高稳性有机磷( 胡敏酸磷) 。熊恒多3 0 1 等和范业宽等川对b o w m a n c o l e 体系进行了以下几个方面的修正：1 ) 修正后的体系中，将土壤预先用c h c i 。处 理，然后再用0 5m o l ln a h c 0 3 ( p h = 8 5 ) 处理，以提取活性有机磷。2 ) 修匿后 的体系是先用1 0m o l l n a o h 浸提出稳定性有机磷后，再用1 0m o l lh 2 s 0 4 浸 提出中活性有机磷。i v a n o f f 等提出的有机土有机磷分级体系，把全部有机磷分 为3 个部分：1 ) 活性o p ，包括n a h c 0 3 - - o p 和微生物磷；2 ) 中活性o p ，包括 h c 卜一o p 和富罩酸磷；3 ) 非活性o p ，包括胡敏酸磷和残余磷。 1 3 微生物在湖泊磷循环中的意义 水体和沉积物之间磷的交换十分复杂，包括物理、化学和生物的作用。而直 到最近，磷在沉积物水体界面的转化才被认为是以生物过程为主，以前只是认 为沉积物中的细菌间接影响了在氧化还原环境中磷的转化f 3 2 】。事实证明，无论 是非生物还是生物过程，对于磷的释放都是十分重要的。尤其是微生物的活动对 沉积物中磷的释放有着相当重要的影响。 1 3 1 对磷循环的主要作用 在沉积物中，微生物的作用以细菌为主。细菌对沉积物中磷的释放的影响包 括直接和间接的两个方面。直接的影响有( 1 ) 分解有机磷的化合物：( 2 ) 在厌 氧环境中降解被储存的缩合性磷；( 3 ) 参与厌氧下f e p 化合物的溶解。而且， 在厌氧的条件下，随着微生物的生长。磷会持续地被吸附。细菌也会间接地对磷 的释放起作用：( 1 ) 消耗氧降低水体中的氧化还原电势，以增加f e - p 中磷的释 浙江人学硕十毕业论文 放；( 2 ) 在f e p 降解菌存在的情况下，三价f e 被直接还原为二价f e ，原来被 吸附在铁氧表面的磷被释放：( 3 ) 在磕降解菌存在的情况下，硫酸盐被还曝为硫 化物。这个强烈的还原过程可以促进铁的还原释磷。 1 3 2 不同湖泊沉积物中细菌的种类 夏学惠等人对滇池沉积物中的细菌与其对磷转化的影响进行了测定与分析 3 3 1 。发现滇池沉积物中存在一定数量能解磷的细菌与能聚磷的细菌。演池沉积 物中含有不同种属细菌，其中出现率最高的为邻单胞菌和芽孢杆菌。而最高带菌 量却是出现率居中的乳酸杆菌属，最高达5 2 1 0 ( 个g 土样) 。因乳酸杆菌为 发酵代谢，其代谢产生的酸可溶解不溶性磷酸盐为可溶性磷酸盐。由于乳酸解磷 菌的作用，使河流带入的不溶性磷酸盐矿物，在乳酸杆菌的作用下产生分解，致 使磷矿物中的磷转为可溶磷释放到水体中，造成湖水的二次污染。除乳酸解磷菌 外，在滇池沉积物细菌类群组鉴定中，还发现一定量的聚磷菌，如假单胞菌 ( p s e u d o m o n a s ) 、节细菌属( a r t h r o b a c t e r ) 、棒状杆菌属( c o r y n e b a c t e r i u m ) 等。 它们能过量吸收溶解磷酸盐在体内合成多聚磷酸盐并积累起来，如假单胞菌能积 累的磷酸盐含量可达细菌干重的3 l 。研究解磷与聚磷细菌的数量、种类、分布 及其与沉积物、水中磷含量的关系发现，解磷菌种类和数量与沉积物难溶磷酸鼎 含量成负相关，而与水中的可溶性磷酸盐成正相关。聚磷菌则与之正相反，其种 类和数量与沉积物难溶磷酸盐含量成f 相关关系。这些聚磷菌将滇池内的可溶磷 通过微生物的同化作用形成有机磷，使磷的含量在积磷菌内高度富集。当这些高 含磷的细菌在环境发生改变，环境进入还原状态在硫化物的作用下，积磷菌死亡， 同时发生有机磷的矿化作用，将聚磷微生物体内的有机磷转化为无机磷，这些微 生物遗体、无机磷与沉积物中的盐基结合，形成磷酸盐矿物沉淀。沉淀在沉积物 中的磷酸盐主要为水合磷酸钙与水合磷酸铁，这些水合磷酸盐矿物在沉积物中是 不稳定的，它们在环境改变情况下，又将磷释放到水体中。当聚磷菌富集的磷酸 盐在条件具备的情况下，经沉积物覆盖成岩作用后，最终形成胶磷矿( 碳氟磷灰 石) 。 王锐薄等人对海口东湖降解磷细菌也进行了研究f 3 4 i 。研究表明芽孢杆菌属 ( b a c i l l u s ) 、微球菌属( m i c r o c o c c u s ) 和假单胞菌属( p s u d o m o n a s ) 是优势解磷 浙江大学硕士毕业论文 菌。其中假单胞菌属的解磷能力较芽孢杆菌属、微球菌属强得多。虽然芽孢杆菌 属、微球菌属是优势菌，但它们分鳃磷的能力不强。所以在其中，假单胞菌能过 量地摄取环境中的磷，在静止期吸收环境中的磷，以多聚磷酸盐的形式( 异染颗 粒) 贮存在细胞中。 吴根福等人对西湖的异氧细菌进行了鉴定 3 5 1 。发现假单胞菌属 ( p s u d o m o n a s ) 、芽孢杆菌属( b a c i l l u s ) 、肠细菌科( e n t e r o b a c t e r i a c e a e ) 较多。 其中芽孢杆菌属占优势。此外还有不动细菌( a c i n e t o b a c t e r ) 、产碱杆菌属 ( a l c a l i g e n e s ) 、无色细菌属( a c h r o m o b a t e r ) 、微球菌属( m i c r o c o c c u s ) 、色杆 菌属( c h r o m o b a c t e r i u m ) 、黄杆菌属( f l a v o b a c t e r i u m ) 和黄单胞荫( x a n t h o m o n a s ) 的细菌。 1 3 3 不同环境条件下沉积物磷释放的机制 从以往的研究来看，有两个主题十分重要：( 1 ) 在吸附和释放磷的过程中有 机质的重要性；( 2 ) 能够以缩合性磷酸盐的形式储存磷的细菌( p o l y p 菌) 的作 用。缩合性磷酸盐包括无机线型缩合性磷酸盐，如焦磷酸盐( p 2 0 7 “、h p 2 0 7 3 、 h 2 p 2 0 7 2 。、h 3 p 2 0 7 、h 4 p 2 0 7 ) 和三聚磷酸盐( p 3 0 l o 孓、h p 3 0 1 0 4 。、h 2 p 3 0 1 0 3 。、h 3 p 3 0 1 0 2 、 h 4 p 3 0 l o - 、h s p 3 0 1 0 ) ；无机环状缩合性磷酸盐，如三偏磷酸盐( p 3 0 9 3 一、h p l o ，、 p 4 0 1 2 “、h p 4 0 1 2 ) ；以及有机的缩台性磷酸盐。 一般的假设是在厌氧的环境下p o l y p 菌能够把缩合性磷酸盐水解为正磷酸 麓，释放到水体中。这个新陈代谢的过程中低摩尔质量的有机酸，如醋酸盐等会 刺激p o l y - p 菌( 如a c i n e t o b a c t e r 种) 的作用。为了证实这个假设， a k h o s h m a n e s h l 3 2 等人做了一系列的实验。当生物可利用的有机碳和正磷酸盐存 在的情况下，沉积物细菌好氧时可以很好地生长，但在厌氧时不一定能释放磷。 然而，醋酸盐为碳源，好氧时所加的磷存在着被“过量吸收”的情况，在厌氧时 以缩合性磷酸盐的形式被吸收的磷则被释放。这也证明了细菌在沉积物磷循环中 是有着重要的作用的。 浙江大学硕士毕业论文 图1 - 1 微生物新陈代谢中磷转化的过程( a ) 厌氧过程( b ) 好氧过程 f i g 1 1p h o s p h o r u s t r a n s l a t i o no f m i c r o o r g a n i s mm e t a b o l i s m ( a ) a n a e r o b i cp r o c e s s ( b ) a e r o b i cp r o c e s s h u p f e r 等人口6 j 用3 p 的核磁共振波谱研究证实了沉积物中的微e 物能够吸收溶解 态的磷酸盐，以缩合磷酸盐的形式将p 贮存在细胞内，并且能够在缺氧的条件下 将体内的缩合磷酸盐释放出来；此研究的另一个重要结论是微生物体内的缩合磷 酸盐约占沉积物有机磷的3 5 5 0 。e r i k 和e m i l 【37 】的实验室研究以及w i l l e m 和k u r t 3 8 1 在湖泊中的连续采样监测也都通过测定发现沉积物中微生物量变化与 有机磷含量变化以及易交换态磷含量变化之间存在很大的正相关性。 图l 一1 是细菌的新陈代谢对磷循环的影响。( a ) 是厌氧条件( b ) 是好氧的 条件下的循环图。厌氧条件下，细菌积累p o l y p 的能力加强。因为他们可以通 过吸收沉积物基质中的p o l y p 比其它微生物利用更多的能量。在接下来的好氧 过程中，p h a s 作为能源，以提供细胞的生长和p o l y p 的再生。 1 3 4 磷酸酶活性的研究进展 有机物的分解和矿化是水生生态系统物质循环与能量转化的重要途径，在这 一过程中，酶的作用至关重要，湖泊中磷营养的动态变化或可成为个典型的例 子。浮游植物所能直接利用的磷的形式是无机态的正磷酸盐，其含量往往不足湖 水总磷浓度的5 【3 9 】。因此，其它形态的磷转化释放正磷酸盐的方式和速率是决 定湖泊营养状态和水体生产力的重要因素，浮游植物或细菌胞外的或水中溶解的 浙江大学硕士毕业论文 磷酸酶能催化磷酸酯类化合物水解产生正磷酸盐【4 0 】。 美国田纳西州的m e l o nh i l l 水库、池塘和溪流沉积物中碱性磷酸酶的活性与 细菌总量和a t p 含量正相关。印度p o n on o v o 海岸和港湾沉积物中磷酸酶的 活性在7 9 月出现高峰，这种现象与“水华”引起的有机碎屑的大量沉积和矿 化过程之间有某种联系2 1 ，富营养型的威尼斯泻湖沉积物中碱性磷酸酶的活性 正比于磷的释放速率，且由间隙水中溶解活性磷的浓度调节。己知淡水湖泊 水柱和间隙水中碱性磷酸酶的动力学参数与磷的生物可用性有关，而其沉积物中 磷酸酶的性质却极少见诸报道。 1 3 4 1 磷酸酶的来源 利用孔径不同的滤膜对水样作逐级过滤。可以大体区分不同大小的生物各自 表现的酶活性。一般认为，大于3 0 pm 的颗粒多为藻类，介于o 4 5um 至3 0 um 之间的则为细菌，而小于o 4 5um 的是溶解态酶。此外，酶活性与某类生物 的相关性亦可为酶的来源提供间接的判断依据、大量实验证明，水体中的磷酸酶 主要源于细菌、浮游植物和浮游动物【4 4 1 ，分述如下： ( 1 ) 细菌 湖泊磷酸酶活性与细菌数量的相关关系显示出细菌磷酸酶存在的可能性，许 多从湖水中分离的细菌表现出明显的磷酸酶活性。波兰g l e b o k i e 湖底层水样中 细茵磷酸酶占有主导地位离心与同位素示踪相结合的实验结果证实，即使在被认 作藻类的大颗粒上或被视为仅含溶解态酪的过滤水样中，细菌对酶的活性亦有贡 献。 ( 2 ) 浮游植物 培养藻类能够合成具有胞外催化功能的磷酸酶，磷酸酶位于细胞表面或细胞 胞内。关于藻类向培养介质释放胞外酶的现象亦有记载。一般碱性磷酸酶的活性 与叶绿素含量之间具有极其显著的f 相关关系。酸性湖泊中占优势的藻类与磷酸 酶活性之间办有类似的内在联系。酶