第五章营养元素.ppt

第五章天然水中的生物营养元素 5 1概述 5 2氮对水体水产的影响 5 3磷对水体水产的影响 5 4其他营养元素 5 5水体的富营养化 5 1概述 一 营养元素的定义 植物正常生长发育过程中不可缺少的元素 必须元素和非必须元素 常量必需元素 N P K Ca Mg S C H O 微量必需元素 Fe Mn Cu Zn B Mo Cl等 必需元素的生理功能为 构成植物体内有机结构的组成成分 参与酶促反应或能量代谢及生理调节 如纤维素 单糖和多糖中含有碳 氢 氧 蛋白质中含有碳 氢 氧 氮 磷 硫 某些酶中含有铁或锌 Mg2 和K 是两种不同的酶的活化剂 K 和Cl 对渗透调节具有重要作用等 非必需元素 植物正常生长发育不需要的元素无害元素 虽然植物正常生长发育不需要 但是少量摄入后不会产生严重病理现象 如铋元素等有害元素 不仅植物正常生长发育不需要 而且摄入微量 就会出现病态或中毒症状 又称有毒元素 如汞 镉 铅等 二 藻类吸收营养元素的特点 1 选择性 吸收有效形式N NH4 NO3 NO2 P H2PO4 HPO42 一般不吸收磷脂类有机态磷 2 比例性 按比例吸收营养元素 光合作用和呼吸作用平均计量关系式106CO2 16NO3 HPO42 122H2O 18H 微量元素 CH2O 106 NH3 16H3PO4 138O2O C N P 276 106 16 1 摩尔比 142 41 7 2 1 质量比 释放的 吸收的 植物光合作用时 每吸收1mgP同时吸收7 2mgN和41mgC 并释放142mgO2 或者说 光合作用每吸收76mlCO2 便释放99mlO2 浮游生物死亡后被完全分解时 每消耗99mlO2 释放76mlCO2 限制法则 植物对营养元素的吸收是按比例进行的 各种营养盐之间相互限制 如果某一营养盐极为缺乏 即使其它元素大量存在 也不被吸收利用 即水中含量最少的一种营养盐起着限制作用 限制作用一般出现在浮游植物大量繁殖后 营养元素浓度降低到不能继续维持其生长 浮游植物便停止繁殖 奢侈吸收 饥饿吸收 藻类处于缺乏营养元素的环境下 一旦接触含量高的有效形式的营养元素 其吸收利用速度极快 并能过量的吸收营养元素存储于细胞中 例如P元素被大量吸收后储存于细胞内 OOO O P O P O P O O O O 3 吸收速率 1 被动吸收 靠扩散 吸收速率决定于扩散速度 与浓度梯度有关 2 主动吸收 细胞利用呼吸做功可以逆着浓度差吸收营养物质的过程 符合酶促反应动力学规律 若 S Km时 V 1 2Vmax 4 米门氏方程 酶促反应速度与浓度的关系 酶促反应速度 吸收速率 最大反应速度 米氏常数 限制性底物浓度 图酶促反应速度与浓度的关系 实例 某些硅藻对NH4 吸收速率与浓度的关系 三 影响天然水体初级产量与生产速率的限制因素 1 水中营养元素有效形态的实际浓度 S 太低2 各种营养元素有效形态的浓度比例不适合浮游植物的需要3 水中营养盐的总储存量或补给量不足4 向藻类细胞表面迁移补给有效营养盐的速率不足 5 2氮对水体水产的影响 一 天然水中氮元素的存在形态1 溶解氮气2 亚硝酸态氮 NO2 N 3 硝酸态氮 NO3 N 4 总铵 氨 态氮 TNH4 N 5 有机态氮 氮存在形态 游离态氮 溶解N2具有相对较强的化学惰性 在水中的溶解度也很低 但大气中占78 水中的含量较高 在海洋中可达20mg L 而其它可溶性氮化合物仅为0 7mg L 多数藻类不能利用 只有少数固氮藻类可以利用 N2过饱和很容易引起气泡病 一般N2 115就可产生气泡病症状 亚硝酸态氮 一种不稳定的化合物 在水中易转化 溶氧低时可转化为N2和N2O 溶氧高可转化为NO3 清洁水中含量很低 地表水 0 01mg L对鱼的毒性 温水鱼 5mg L 无害鲑鳟鱼 0 06mg L 无害对人的毒性 使血液的载氧能力降低是致癌物亚硝酸氮在天然水中的浓度是非常低的 它主要是硝化反硝化过程及植物体内被摄取的硝酸在硝化酶的作用下转化为氨及氨基酸过程的中间产物 3 硝酸态氮 是含氮化合物的稳定形态 是氮氧化的产物 易被植物吸收 对生物基本无毒 4 总铵态氮 是NH3和NH4 的总和 二者在水中可以相互转化 5 有机氮 包括蛋白质 氨基酸 尿素 胺类 硝基化合物等 二 天然水中氮来源 鱼池施肥 生活污水和工业废水的注入 水生生物和鱼类的代谢产物 池塘中氮主要来源于肥料和饲料 进入水体中的氮一般以氨的形式存在 这些氮来源于鱼鳃排泄物和细菌的分解作用 饲料中的氮有60 70 被排泄到水体中 因此水产养殖生产中总氮浓度与投饲率及饲料蛋白含量有直接关系 在精养池中经常会出现对鱼类有害的 富氮 三 氮的循环 1 氮气的溶解作用天然水中氮的最丰富形式是溶解游离态氮气 主要来自空气的溶解 地表水中游离氮的含量接近饱和值 脱氮作用和固氮作用对其影响不大 在天然水域中 游离态氮的行为基本上是保守的 大气中氮在水中的溶解遵守亨利定律和道尔顿定律 2 植物对氮的吸收 NO3 NO2 NH3及NH4 是一切藻类都能直接吸收利用的氮源 通常认为 植物会首先吸收NH4 当海水中NH4 几乎被耗尽时才会大量吸收NO3 溶解有机氮也是一些微藻和细菌主要的可利用营养盐之一 近年来的一些研究表明 浮游植物也会直接利用一部分溶解有机氮化合物 DON 但是吸收量甚少 这是氮循环的一个主要过程 即水中气态氮通过特定的细菌 蓝绿藻转化为有机氮 这是水中氮的重要来源之一 相对沉积物来讲水体中的固氮作用较小 氨的存在会降低固氮作用速率 此外硝酸和氧也对固氮作用有影响 固氮作用 氮元素的再生 无机氮被浮游植物吸收转化成有机氮 并通过浮游动物的摄食 各级浮游动物之间及鱼类等的捕食继续在食物链中传递 在这个过程中有相当一部分氮由于溶出 死亡 代谢排出等离开食物链重新回到水体中 这就是营养盐的再生过程 浮游植物胞外溶出 在河口和沿岸区域 大约30 的净初级生产力被浮游植物溶出 而约20 的被浮游动物捕食 可见 由浮游植物胞外溶出产生的有机物是不可忽视的 尽管有研究表明浮游植物细胞倾向于贮存氮 在缺氧和存在细菌时 胞外溶出氮就会增加 分别占到细胞内氮的10 20 和3 12 溶出产物主要包括蛋白质 氨氮以及少量的亚硝酸盐和氨基酸 浮游动物及鱼类的溶出和排泄 氨氮是浮游动物溶出产物的主要形式 当然还包括脲 氨基酸 蛋白质等 不同种类的浮游动物溶出速率并不相同 桡足类溶出速率还与动物干重有显著的相关性 个体较小的动物的溶出速率比个体较大的快 3 氨化作用 氨化作用是指含氮有机物在微生物的作用下释放出氨的过程 这个过程在有O2和无O2的环境中都能进行有机物NH 4 CO2 SO42 H2O含氮有机物NH 4 CO2 SO42 胺类 有机酸类速度受pH影响 中性弱碱性环境的效率较高 需氧生物 厌氧生物 4 硝化作用 在氧气丰富的条件下 在硝化细菌的作用下 氨态氮转化为亚硝态氮 进一步转化为硝态氮的过程 硝化分两个阶段进行 A 2NH4 3O2 4H 2NO2 2H2O 能量B 2NO2 O2 2NO3 能量 综合计量关系式 H 与HCO3 结合 NH4 1 83O2 1 99HCO3 0 021C5H7NO2 1 041H2O 1 88H2CO3 0 98NO3 1 溶氧O2 1mg L抑制O2 5 6 mg L 速度与O2无关O2在1 5 6 mg L硝化速度随O2增加而加快 影响硝化作用速率的因素 适宜pH范围 弱碱性 pH 7 8 8 9以pH 8 4最好 pH 9 5以上硝化细菌受到抑制pH 6 0以下亚硝化细菌被抑制 硝化速度急剧下降 2 pH 在5 30 范围内温度升高 硝化作用加快40 硝化作用受到抑制 3 温度 温度的影响 温度分别为20 25 30 时氨氮去除率与亚硝化累积速率 温度对硝化作用影响明显 温度降低氨的去除率迅速降低 光照 可以抑制硝化作用的第二个阶段 4 其他因素 不同强度光照对硝化作用的影响 4 其他因素 续 非离子氨 NH3 N 0 1mg L 可抑制硝化作用 重金属 对反应的抑制程度不一Cu2 Cd2 Zn2 Cu2 最强烈 Cd2 次之 0 1mg L就已产生明显抑制 NO2 N的生产量为对照组的一半左右 Cu2 为1 0mg L时 硝化作用几乎完全停止 Zn2 的抑制效果最弱 当浓度达到0 5mg L时抑制才较为明显 5 反硝化 脱氮 作用 1 反硝化作用的概念 在缺氧条件下 在反硝化细菌的作用下 NO3 转化为NO2 最终转化为N2和N2O的过程 2 影响反硝化作用的因素 NO3 NO2 的含量脱氮反应速率随着含量的增大而增加 pH最适范围pH7 8 pH 5脱氮作用停止 溶解氧 0 15 0 5 mg L 脱氮才顺利进行 有机物等 需接受电子的基质 环境工程上使用甲醇作为接受电子的基质 重金属 对人工湿地反硝化作用影响的实验证实 Cu2 Cd2 Zn2 三种离子对反硝化作用都存在抑制抑制程度Cd2 Zn2 Cu2 四 氮的有毒形式 1 亚硝酸盐毒性机理 影响氧气的运输 重要化合物的氧化以及损坏器官组织 血液中NO2 的增加能将血红蛋白中的Fe2 氧化为Fe3 血红蛋白失去运输氧能力 NO2 还可引起小血管平滑肌松驰而导致血液淤积 此外还可氧化其他重要化合物 用虹鳟实验发现死亡的原因不单是由于Fe3 血红蛋白含量的提高 可能还有NO2 的其他毒性反应 把虹鳟置于含0 060mg LNO2 的环境中3周 可见到鳃瓣轻度肥大 增生和脱落 NO2 致死作用 对鱼类因水的化学性质和鱼类品种不同而差异很大 斑点叉尾鮰和虹鳟96小时半致死浓度 LC50 分别为l2 8mg L 13 1mg L和0 20mg L 0 40mg L 加入钙离子或氯离子 可以使鲑科鱼类对亚硝态氮的忍耐力增加30 60倍 这是由于它们能使亚硝态氮完全通过鳃而降低毒性 2 非离子氨 总氨氮包括非离子氨氮与铵态氮 非离子氨不带电荷 具有较强的脂溶性 易透过细胞膜 对水生生物具有较强的毒性 非离子氨对水产动物的毒害 中毒症状 鱼虾在发生高浓度氨急性中毒时 会表现出严重不安 同时由于在此浓度下 通常伴随着较高的pH 水具有相对较强的剌激性 导致鱼虾体表粘液增多 体表充血 鳃部及鳍条基部出血明显 鱼多在水域表面游动 死亡前眼球突出 张口挣扎 为了防止养殖水域中的非离子氨过高 除了要定期检测水中氨的指标外 还要及时清理排除养殖水域底层的污垢及水产养殖动物排泄的粪便等 3 硝态氮的毒性 在水循环系统中 氨态氮的硝化产生硝态氮的积累 硝态氮对鱼类毒性最小 但高浓度的硝酸盐也影响渗透作用和氧的运输 高浓度的硝态氮也会将二价血红蛋白氧化为三价血红蛋白 水生动物96小时半致死浓度为1000 3000mg L 在淡水鱼试验中 把硝酸钠和氯化钠二者的半致死浓度进行比较 发现硝态氮的毒性主要是由于鱼类不能在高盐环境中维持正常的渗透压所致 五 水中氮的分布变化规律 1 水平分布受生物活动 大陆径流 水文状况 沉积作用 人为活动等各种因素的影响 海洋中氮的水平分布通常表现为沿岸 河口水域的含量高于大洋 太平洋 印度洋高于大西洋 开阔大洋中高纬度海域高于低纬度海域 但有时因生物活动和水文条件的变化 在同一纬度上 也会出现较大的差异 2 垂直分布 在大洋真光层 随深度的增大 其含量逐渐增大 并在某一深度达到最大值 此后不再随深度而变化 在不同的大洋深处 其硝酸盐含量也有所差别 如印度洋 太平洋 大西洋 在河口 近岸地区 氮的垂直分布明显受生物活动 底质条件与水文状况的影响 若上下层水体交换良好 垂直含量差异较小 而在某些水体交换不良的封闭或半封闭海区 上下层海水难以对流混合 在200米以下因水体缺氧 硝化作用减弱 硝酸态氮含量下降 而氨态氮含量增加 在上升流海区 由于富含氮的深层水的涌升 该区无机氮的含量明显增加 3 季节变化 夏季浮游植物繁盛期间 无机氮被大量消耗 加上温跃层的存在 妨碍了上下层海水的混合 无机氮的含量都降至很低 特别是在表层 NO3 和NO2 几乎消耗殆尽 进入秋季后 浮游植物繁殖速率下降 生物残体中的有机氮化合物逐步被微生物矿化分解 加上水体混合作用 其含量逐渐上升并积累起来 到冬季 表层和底层水中无机氮含量都达到最大值 春季 浮游植物生长又开始进入繁盛期 海水无机氮含量再次下降 至夏季表层水中含量达到极低点 仅有少量NH3 N被检出 相比之下 底层海水中NO3 N并未枯竭 仍保持一定含量 5 3磷对水体水产的影响 磷是生物不可缺少的重要元素 生物体内的核酸 核蛋白 磷脂 磷酸腺苷和很多酶的组成中 都含有磷 它们对生物的生长发育与新陈代谢都起着十分重要的作用 磷也是一切藻类生长所必需的营养元素 需要量比氮少 但天然水中缺磷现象比却氮现象明显 一 天然水中磷的存在形态 1 溶解态无机磷无机正磷酸盐无机缩聚磷酸盐2 溶解态有机磷3 颗粒磷 磷的存在形态 正磷酸盐 PO43 HPO42 H2PO4 H3PO4溶解态磷无机缩聚磷酸盐 P2O74 P3O105 溶解有机磷 葡萄糖 6 磷酸 2 磷酸甘油酸 磷肌酸颗粒态无机磷 PIP Ca3 PO4 2 FePO4颗粒态磷颗粒态有机磷 POP DNA RNA活性磷 能用钼酸盐法测定的磷 包括正磷酸盐 被吸附的磷酸盐和部分在酸性中能溶解的悬浮无机磷 有效磷 能被水生植物吸收利用的磷 二 天然水体中磷含量变化动态规律 1 有效磷的来源 1 水生生物的排泄物及残骸浮游生物死亡后 其残骸中的有机磷被细菌分解 为水体提供有效磷 浮游动物代谢活动对表层水有效磷的再生补给作用极大 2 底部沉积物的释放 水体沉积物是是有效磷的巨大潜在储源 湖泊沉积物磷的丰度是上覆水的600倍 这些磷大多是铁 钙的沉淀物 影响底泥中的磷向表水层迁移的因素 沉积物中磷的有效化过程pH低 还原条件 有机物多利于溶解水 泥界面磷的交换过程两侧磷的浓度差 扩散速度由深层向表层迁移过程水的深浅 是否垂直对流 3 人工投饵人工施肥水源的补给 2 有效磷的消耗 1 水生生物的吸收利用 2 生成沉淀 与钙 镁 铁 铝生成难溶于水的磷酸盐 土壤粘粒的吸附 有机物质的螯合 三 分布变化规律 1 水平分布 海洋中磷的含量通常也表现为沿岸 河口水域高于大洋 太平洋 印度洋高于大西洋 开阔大洋中高纬度海域高于低纬度海域 但有时因生物活动和水文条件的变化 在同一纬度上 也会出现较大的差异 在海洋浮游植物繁盛季节 沿岸 河口水域表层海水中活性磷含量可降到很低水平 0 1 mol L 而在某些受人为活动影响显著的海区 含磷污水等的大量排入 则可能造成水体污染 出现富营养化 甚至诱发赤潮 2 垂直分布 表层低底层高在真光层 由于浮游生物大量吸收磷 致使有效磷含量很低 有时甚至被消耗殆尽 因而随深度的增大 其含量逐渐增大 并在某一深度达到最大值 此后不再随深度而变化 在河口 近岸地区 磷的垂直分布明显受生物活动 底质条件与水文状况的影响 3 季节变化 整体而言 夏季含量很低 秋季含量上升 冬季达到高峰 春季开始下降 四 水中磷的管理措施 情况一 水体缺乏磷措施 补充磷情况二 水体磷过量措施 去除过量磷 1 增加水体中磷 促使底层的磷释放方法 开动增氧机 降低pH 促使难溶性磷酸盐溶解 离子交换作用 人为补充有效磷主要措施 施肥无机磷肥 肥源有机磷肥 动物粪肥及植物肥 2 抑制降低水体中磷含量 1 植物法 利用水生植物生长吸收N P来去除过量的磷 如 水浮萍 水葫芦水花生 浮游植物等 海水中的江蓠 铜藻等 2 沉淀 絮凝法 泥土 钙镁等金属元素3 限制磷进入水体 减少工厂 生活 农田污水进入水体 5 4其他营养元素 一 硅1 意义 是硅藻大量营养元素之一 硅藻含硅占无机干重的60 2 存在形式主要以H2SiO3 水合SiO2胶体 和HSiO3 存在 在pH 8时 H2SiO3 95 活性硅 能用钼酸盐法测出的硅 英国某河口 硅酸盐与盐度的关系 1 意义动物和植物不可缺少的微量营养元素例分别把对虾蚤状幼体 期 培养在含铁量为0 40mg L和无铁海水中 在同样条件下饲养两天含铁海水中对虾幼体大部分存活无铁海水中的对虾幼体则全部死亡含铁过多的水有毒 对生物有很大危害 二 铁 铁在水中有Fe2 Fe3 Fe OH 2 Fe OH 3 FeCO3 FeS及FeS2等主要为三价胶态铁4Fe2 O2 10H2O 4Fe OH 3 8H 天然地面水中总铁含量一般都在100 g L以下地下水的含铁量常较高 2 存在形态 1 富铁水特点 地下水 pH较低缺氧Fe2 2 曝气或添加到养鱼池中的反应4Fe2 O2 10H2O 4Fe OH 3 8H 问题 1mgFe2 氧化需要消耗多少O2 3 富铁水大量注入养鱼池后引起的一系列后续过程 O2 pH HCO3 透明度 水逞红褐色 活性磷 4 铁的去除 曝气絮凝过滤或静置 3 富铁水的危害及铁的去除 三 碳 1 意义 一切藻类必需的大量营养元素 2 有效形式 CO23 CO2来源 生物呼吸有机物分解从空气溶解HCO3 分解4 CO2消耗 生物吸收CaCO3溶解逸出 四 微量元素 例如 CuMnZnMo等 含量低 有力含量高 有害不含则生物生长不良 5 5水体的富营养化 富营养化 天然水体中由于过量营养物质 氮 磷 的排入 导致各种水生生物 植物异常繁殖和生长的现象 一般来说 总磷 0 02g m3 无机氮 0 3g m3 就可以认为水体已处于富营养化的状态 贫营养湖与富营养湖之间的临界负荷量是 总磷为0 2 0 5g m3 年 总氮为5 10g m3 年 一 水体形成富营养化的原因 1天然湖泊营养型的自然演变 缓慢 雨水NP湖泊 贫营养湖 营养湖沼泽地和干地演变过程缓慢 经过数千年乃至数百万年的地质年代 2过量营养物质的排入 迅速 农业施肥 畜牧业 渔业 生活污水 污水灌溉 地表径流 二 水体富营养化的危害 破坏生态环境破坏自然景观影响城市供水和人体健康对鱼类危害1 蓝藻为主 而蓝藻有不少种有胶质膜 不适于作鱼饵料 而其中有一些种属有毒如微囊藻 2 藻类过度生长繁殖 将造成水中溶解氧急剧变化 藻类呼吸作用和死亡藻类的分解作用消耗大量得氧 有可能在一定时间内使水体处于严重缺氧状态 严重影响鱼类生存 三 水体富营养化的防治措施 控制外源性营养物质输入减少内源性营养物质负荷 1 物理措施 包括挖掘底泥沉积物 进行水体深层曝气 注水冲稀以及在底泥表面敷设塑料等 2 化学方法 这是一类包括凝聚沉降和用化学药剂杀藻的方法3 微生物法 投加适当的适量的微生物 各类菌种 加速水中污染物的分解 起到水质净化的作用 4 生物性措施 种植水生植物 挺水植物 浮叶植物 大型飘浮植物 着生藻类 浮游藻类 沉水植物 投放水生动物 螺 蚌 鱼 四 水体富营养化的表观现象 水体营养多 造成浮游生物大量繁殖 因占优势的浮游生物的颜色不同 水面往往呈现蓝色 红色 棕色 乳白色等 这种现象在江河湖泊中称为水华 在海中则叫作赤潮 一 水华 水华 是指内陆水域中一些浮游生物的暴发性繁殖引起的水色异常现象 引起水华的主要生物种类主要有蓝藻类 绿藻类 硅藻类 有色鞭毛虫四大类 水华的危害 1 藻类本身使水道阻塞 鱼类生存空间缩小 使水体生色 透明度降低 其分泌物又能引起水臭 水味 在给水处理中造成各种困难 2 藻类繁生将破坏水体生态系统原有的平衡 使有机物生产速度远远超过有机物消耗速度 导致水中有机物的积蓄 3 促进细菌类微生物繁殖 一系列异养生物的食物链都会有所发展 使水体耗氧量大大增加 4 生长在光照所不及的水层深处的藻类因呼吸作用也大量耗氧 5 富氨氮的水体开始使硝化细菌繁殖 在缺氧状态下又会转向反硝化过程 进一步产生大量有毒有害的亚硝酸盐和氨 水华的管理措施 控制营养元素进入水体去除水体中过量的营养物质去除过量繁殖的水生植物 二 赤潮 赤潮 海洋中某些浮游生物 尤指藻类 原生动物或细菌等在一定环境条件下爆发性繁殖或聚集达到某一水平 引起水色变化或对其它海洋生物产生危害作用的一种生态异常现象 2000年舟山群岛赤潮 2006年黃海海州灣海域赤潮 2007年厦门近海赤潮 2007年厦门近海赤潮 中国赤潮发生的概况 赤潮常发地区 渤海 主要是渤海湾 黄河口和大连湾等地长江口 主要包括浙江舟山外海域和象山港等地福建沿海 珠江口海域 大亚湾 大鹏湾及香港部分海区等地 赤潮发生的次数 表11972 1998年中国沿海发生赤潮次数 赤潮发生的原因 化学因素 富营养化 适宜的营养盐结构等 生物因素 赤潮生物种群动力机制 种间竞争 养殖生物等 水文因素 水温 水体稳定性等 气象因素 气温 降雨 风等 营养盐是赤潮生物赖以生存的物质基础 光 温度 盐度 微量元素 铁等 维生素 B1等 海流等是赤潮辅助条件 浮游动物的摄食压力和赤潮生物自身的死亡是主要的制约因素等 海水富营养化是赤潮发生的必要条件 在此基础上 在其他若干辅助因素共同作用下 导致赤潮生物的旺发 即发生赤潮 引起赤潮的主要生物种类 形成赤潮的海洋生物种类繁多 据统计 世界上赤潮生物大约有200多种 除属于细菌和原生动物外 大部分属于浮游生物 如蓝藻 甲藻 硅藻 绿色鞭毛藻 绿藻等 我国沿海赤潮生物有80余种 赤潮的危害 1 影响水体的酸碱度和光照度