养殖水环境化学

养殖水环境化学 一 绪论 我们的生活环境 大气圈 水圈 岩石圈与其相邻的部分称之为生物圈 1 大气圈 指覆盖整个地球 随整个地球运动的空气层 2 岩石圈 指地球表层具有刚性的一部分 是地质学研究的主要对象 3 水圈 海洋及陆地储存的各种水体 二 天然水系的复杂性 1 水中含有的物质种类繁多 含量相差悬殊 2 水中溶存物质的分散程度复杂 3 存在各种生物 三 天然水中的化学成分的形成 1 大气淋溶 水滴在高空漂移过程中不断自周围空气溶解各种物质 雨滴下落过程能将大 气颗粒物一并带下并溶解 这就形成了降水中的化学成分 2 从岩石 土壤中淋溶 地面径流和地下径流在转移 汇集过程中充分与岩石 土壤中的 可溶成分就转移到水中 3 生物作用 水中生物的光合作用 呼吸作用 代谢 尸体腐解等过程都可以向水中释放 氧气 二氧化碳 有机物及营养盐等物质 4 次级反应与交换吸收作用 水与土壤接触 除了可以从土壤中淋溶带可溶性成分及胶体 成分外 还可能有离子交换作用 使水体的离子成分发生变化 5 工业废水 生活污水和农业退水 水质指标 物理性指标 温度 气味 颜色 透明度 悬浊物等 化学指标 溶解气体 有机物 无机物 非专一性 如电导率 生物指标 微生物含量 藻类数量 放射性指标 四 养殖水环境化学课程包括 1 水环境化学成分的动态规律 2 水质调控方法 3 水质化验技术 第一章 天然水的主要理化性质 天然水各离子浓度以及溶解的气体之间具有恒定的比例 第一节 天然水的含盐量 一 反应天然水的含盐量 0 离子总量 天然水中各种离子含量的之和 常用 mg L mol L 或 g kg mmol kg 1 矿化度 天然水中所含无机矿物成分的总量 2 氯度 沉淀 0 3285234 kg 海水中全部卤素离子所需的纯银克数 在数值上即为海水的 氯度值 3 海水的盐度 反映海水含盐量的指标 当海水中的溴和碘被相当量的氯所取代 碳酸 盐全部变为氧化物有机物完全氧化时 海水中所含全部固体物质的质量与海水质量之比 以 10 3 或 为单位 用符号 S 表示 单位是 g kg 一 盐度的分布和变化 1 影响因素 蒸发与降水 江河水的流入 冰的融化和凝结 潮汐 2 分布 河口 沿岸 近岸 大洋 二 含盐量对水产养殖的影响 0 鱼类的渗透压调节 1 鱼类的洄游 2 鱼类的繁殖 3 生长速度 4 病害的防治 二 天然水的密度 1 0 纯水的密度 是温度和压力的函数 三 天然水的化学分类法 0 按含盐量的分类 按水中的含盐量把水分为各个类型的水 1 按主要离子成分的分类 阿列金分类法 具体分法如下 首先 根据含量最多的阴离子将水分为三类 碳酸盐类 硫酸盐类和氯化物类 然后在根 据含量最多的阳离子将水分为三组 钙组 镁组和钠组 钠组包括钾离子 最后在根据阴 阳离子的比例关系将水分为四个型 型 弱矿化水 主要是 Na 与 K 和 NaHCO3 型 低矿化的混合起源的水 型 高矿化度的混合起源的水 型 不含碳酸氢根的水 第二节 天然水的依数性和透光性 一 天然水的依数性 一 蒸汽压和冰点 依数性是指稀溶液蒸气压下降 P 沸点上升 Tb 冰点下降 Tf 值等与溶液中 溶质的质量摩尔浓度成正比 而与溶质的本性无关的一种属性 二 海水的渗透压 海水的渗透压符合类似于理性气体状态方程形式关系式 二 天然水的透光性 一 水面对太阳辐射的反射 太阳光到达水面后 一部分被反射 一部分折射进入水体 进入水体的部分 一部分被吸 收 一部分被散射 余下的继续向深处穿透 进行吸收和散射 折射光受反射光的影响 二 水对太阳能的吸收和散射 通过进入水面的太阳辐射 一部分被水及其中溶存的物质吸收 一部分被散射 一部分继 续向深处穿透 被吸收的辐射能 大部分被转变成热 被水温升高 三 水的光学分层 0 真光层 又叫营养生成层 光照充足 光合作用速率大于呼吸作用速率的水层 1 营养分解层 光照不足 光合作用速率小于呼吸作用速率的水层 2 补偿深度 有机物的分解速率等于合成速率的水层深度 四 光照与水生生物的关系 0 光照可以影响养殖水体的水温 1 光照可以影响水生植物的光合作用 继而影响养殖水质 2 光照可以影响饵料生物的生长繁殖 3 光照强度可以影响水产动物的摄食活动 4 光照强度和光周期可影响水产动物的性腺发育 五 养殖水体光照强度的调控方法 0 遮阳棚 通常用于工厂化育苗池或室外饵料生物培养池 1 加深水位 阻碍光线的穿透 降低池底的光照强度 抑制底生植物的生长 2 营造水色 通过培养单胞藻类营造水色 达到遮光的目的 通过添加色素营造水色 达到遮光的目的 第四节 水的流转混合作用与水体的温度分布 一 水的流转混合作用 对于一般湖泊 引起水体流转混合作用的因素有两个方面 一是风力引起的涡动混合 一 是因密度差引起的对流混合 一 风力的涡动混合 水面受到风力的吹拂后 表面水会随着风向移动 使水在下风岸处产生 堆积 即造成下 风岸处水位有所增高 从而形成了压强差 使水形成了向下运动的原动力 从而形成了相 应的 风力环流 使得水体温度得到混合 可以使水体相应的温度层增厚 如果水体有温 跃层 环流就发生在温跃层上方 二 水的密度环流 液态水温度在密度最大的温度 3 98 摄氏度 以上时 符合 热胀冷缩 原理 温度越高 密度越小 温度在密度最大的温度 3 98 摄氏度 以下时 则刚好相反 热缩冷胀 温 度越高密度越大 当表层水密度增大或底层水密度减小时 就会出现 上重下轻 的状态 从而形成上下水团的对流混合 既可以小范围的发生也可以大范围的发生 二 水体的温度分布 略 三 水温与养殖生物的关系 水温是养殖生物生长 生存的重要环境条件 直接影响养殖生物的新陈代谢 0 对新陈代谢活动的影响 1 对摄食 生长的影响 2 对饵料生物繁殖的影响 3 对有机物分解矿化速度的影响 4 与疾病发生的关系 5 对性腺发育的影响 第二章 天然水的主要离子 一 水的硬度及钙镁离子 一 水硬度的概念及表示单位 概念 水中二价及多价金属离子含量的总和 包括 Ca Mg2 Fe2 Mn2 Fe3 Al3 表示单位 0 毫摩 升 mmol L 1L 水中含有的形成硬度离子的物质的量之总和 1 毫克 升 CaCO3 1L 水中所含有的与形成硬度离子的量所相当的 CaCO3 的质量表示 符号为 mg L CaCO3 美 2 德国度 HG 将水中的 Ca2 和 Mg2 含量换算为相当的 CaO 量后 以 1L 水中含 10mg CaO 为 1 德国度 HG 德 原苏联 我国 二 天然水的硬度与 Ca Mg2 一 钙镁的来源 淋溶作用 来源主要有含石膏底层中 CaSO4 2H2O 的溶解 白云石 CaCO3 MgCO3 方解石 CaCO3 在水和 CO2 作用下的溶解等 二 天然水硬度 天然水的硬度主要由 Ca Mg2 离子形成的 某些缺氧地下水中可能含有较多的 Fe2 也 形成水硬度 根据水中与硬度共存的阴离子的组成 可将硬度分为碳酸盐硬度和非碳酸盐 硬度 1 0 碳酸盐硬度 水中与 HCO3 及 CO32 所对应的硬度 加热煮沸 形成 CaCO3 沉淀而除 去 称为暂时硬度 1 1 非碳酸盐硬度 对应于硫酸盐和氯化物的硬度 即由钙镁的硫酸盐 氯化物形成的硬 度 煮沸不能出去 称为永久硬度 三 鱼池水硬度的变化影响因素 1 0 水源水的硬度 1 1 池塘土质 1 2 池塘的使用时间 1 3 生物作用 1 4 人为的水质调控 四 钙 镁与养殖生产的关系 0 生命过程所必需的营养元素 Mg2 是叶绿素的成分 1 水生动物植物可直接从环境中吸收 生物体液和骨骼的组成成分 还参与新陈代谢 2 可降低重金属离子 一价金属离子以及碱度的毒性 3 可增加水的缓冲性 具有较好的保持 PH 的能力 4 水中钙镁离子的比例 对海水鱼虾贝的存活具有重要影响 5 提高水体的自净能力 第二节 水的碱度 碳酸氢根 碳酸根离子 一 碱度 是反应水结合质子能力 中和强酸的一个量 水中能结合质子的各种物质共同 形成碱度 受水中光合作用和呼吸作用的影响 二 碱度与水产养殖的关系 一 水体生产力和碱度的关系 mmol L 0 AT 0 1 生产力极低 1 0 1 AT 0 3 生产力低 2 0 3 AT 1 5 生产力一般 3 1 5 AT 3 5 生产力也会受到一定的影响 过高也会产生抑制 二 降低水体中重金属的毒性 三 调节 CO2 的产耗关系 稳定水体 PH 四 碱度过高对养殖生物起毒害作用 五 促进水体自净能力 第三节 硫酸根离子 氯离子 钠离子 钾离子 一 硫酸根离子在天然水中的含量 淡水 HCO3 SO42 Cl 海水 Cl SO42 HCO3 影响含量的因素 自身各种硫酸盐的溶解度 与其他的离子生成沉淀的溶度积的影响 一 硫在水中的转化 0 蛋白质分解作用 蛋白质中的硫首先分解为 2 价硫 无游离氧条件稳定存在 有游离 氧时被氧化为高价形式 1 氧化作用 有氧条件下 硫细菌可把还原态的硫 包括硫化物 硫代硫酸盐等 氧化为 元素硫或进一步氧化为硫酸根离子 2 还原作用 缺氧条件下 各种硫酸盐还原菌可把 SO42 作为受氢体而还原为硫化物 发生还原作用的条件 1 缺乏溶氧 2 含有丰富的有机物 3 有微生物参与 4 硫酸根离子的含量 3 沉淀与吸附 4 同化作用 植物 藻类 细菌吸收利用 SO42 中的硫合成蛋白质 H2S 只能被某些特殊 细菌利用 进行光合作用 将 H2S 转变为 S 或 SO42 同时合成有机物 二 氯离子 在天然水中广泛分布 几乎所有水中都存在 Cl 但含量差别很大 来源 0 沉积岩中食盐矿床是主要来源 1 火成岩的风化和火山喷发 2 某些工业废水和生活污水 Cl 无毒 渔业用水一般不做限定 但对一些养殖品种 含量影响其发育 三 钠离子与钾离子 天然水中 K 的含量一般远比 Na 低 K 容易被土壤胶粒吸附 被植物吸收 K 与 Na 与水生生物的关系 0 动物较多需要 Na 植物较多需要 K 1 对淡水动物 钾钠离子含量过多时 K 的毒性强于 Na 2 钾离子含量太少 不利于育苗 第四节 海水组成恒定性原理 一 海水组成恒定性原理 不论海水中所溶解的盐类其浓度大小如何 其中常量成分浓 度间之比几乎保持恒定 原因 海水的环流 潮流 垂直等运动以及连续不断混合及海水与沉积物界面之间的交换 0 连续不断地进行混合 1 海水体积巨大 第三章 溶解气体 第一节 气体在水中的溶解度和溶解速率 一 气体在水中的溶解度 在一定条件下 某气体在水中的溶解达到平衡以后 一定量的水中溶解气体的量 称为该 气体在所指定的条件下的溶解度 一 影响气体在水中溶解度的因素 气体在水中的溶解度 首先取决于气体本身的性质 极性分子气体在水中的溶解度大 非 极性的气体分子在水中的溶解度小 能与水发生化学反应的气体溶解度大 不能与水发生 化学反应的气体溶解度小 0 温度 一般温度升高气体在水中的溶解度降低 1 含盐量 当温度 压力一定时 水含盐量的增加 会使气体在水中的溶解度降低 随 着含盐量的增加 离子对水的电缩作用 指离子吸引极性水分子 使水分子在其周围 形成紧密排布的水合层现象 加强 使得水可溶解气体的空隙减少 2 气体分压 温度与含盐量一定时 气体在水中的溶解度随气体的分压增加而增加 饱和度 指溶解气体的现存量占所处条件下饱和含量的百分比 二 气体在水中的溶解和溢出速率 0 气体的不饱和程度 水中气体含量与饱和含量相差越远 气体由气相溶于液相的速度就 越快 1 水的单位体积表面积 单位体积表面积越大 浓度增加越快 2 扰动状况 增加液相内部的扰动作用 把已溶有较多气体靠近界面的水移向深部 把深 处含溶解气体较少的水移向界面 可提高溶解速率 三 气体溶解速率的双膜理论 气体溶解速率的双膜理论认为 在气 液界面两侧 分别存在稳定的气膜和液膜两层相邻 在一起的膜 这两层膜内流体保持层流状态 而气 液相呈湍流状态 层流是指流体质点 的运动迹线相互平行 有条不紊的流动 湍流是指流体质点的运动迹线极其紊乱 流向随 时改变的一种流体 对气体的扰动都不能将这两层膜消除掉 只能改变膜的厚度 d1 和 d2 由此 气相主体内的分子溶入液相主题中的过程有 4 个步骤 靠湍流从气相主体内部到达气膜 靠扩散穿过气膜到达气 液界面 并溶于液相 靠扩散穿过液膜 靠湍流离开液膜进入液相内部 第二节 水中的氧气来源和消耗 水中的氧气来源 空气的溶解 水面与空气接触 空气中的氧气将溶于水中 光合作用 水生植物的光合作用释放氧气 是池塘中氧气的主要来源 补水 补水的同时可增加水体氧气的含量 水中氧气的消耗 养殖生物的呼吸 呼吸速率随种类 个体大小 水温等而发生变化 水中微型生物耗氧 水中微型生物耗氧主要包括 浮游动物 浮游植物 细菌呼吸耗氧以 及有机物在细菌参与下的分解耗氧 通常也叫做 水呼吸 为水中主要耗氧因素 低质耗氧 比较复杂 主要包括 底栖生物呼吸耗氧 有机物分解耗氧 呈还原态的无机 物化学氧化耗氧 逸出 当表层水中溶氧过饱和时 就会发生氧气的逸出 第三节 溶氧的分布和变化 日较差 溶氧日变化中 最高值与最低值之差称为昼夜变化幅度 简称为 日较差 溶氧的变化 溶氧的日变化 由于光合作用是水中氧气的主要来源 而光合作用受光照的日周期性的影 响 而呈一定的变化 溶氧的月变化和季节变化 随水温变化以及水中生物群落的演变 溶氧的变化也可能发生 一种趋向性的变化 溶氧的垂直分布和水平分布 溶氧的垂直分布 受水温 水生生物状况 水体的形态等因素的影响 在垂直分布上层一 定的关系 溶氧的水平分布 由于溶氧的垂直分布的不均一性 在风力的作用下使溶氧的水平分布表 现为不均匀 第四节 溶氧在水域生态系统中的作用 溶氧动态对鱼的影响 溶解氧对水生动物的直接效应是低氧条件下引起生物体的窒息死亡 维持鱼类正常的生命活动 所需一定的氧 溶氧量低还会影响鱼 吓的摄饵量及饵料系数 溶氧量低也会增加养殖鱼 虾的发病率也可使水体毒性增加 溶氧过饱和度太高又会引起气泡病 胚胎发育 二 溶氧动态对水质化学成分的影响 0 氧化还原电位 1 溶解氧对元素存在价态的影响 2 决定厌氧与好氧微生物的活动 三 改善养殖水体溶氧状况的方法 0 降低水体耗氧速率及数量 常清除淤泥 合理施肥投饵料 1 加强增氧作用 提高水中溶解氧浓度 一方面是利用生物增氧 保证水中有充分的植物 营养元素和光照 增加浮游植物种群数量 另一方面是人工增氧 包括机械增氧和化学增 氧 第四章 天然水的 PH 和酸碱平衡 第一节 天然水的 PH 一 天然水中常见的弱碱 弱酸 一 酸碱质子理论 能给出质子的物质是酸 能结合质子的物质是碱 二 天然水中的常见酸碱物质 碳酸盐 磷酸盐 硅酸盐和铵盐所形成的酸碱物质 二 天然水的 PH 及缓冲性 一 天然水的 PH 天然水由于主要溶解了碳酸盐类酸碱物质 使水具有不同的 PH 大 多数的天然水为中性到弱碱性 PH 为 6 0 9 0 二 天然水的缓冲性 天然水都具有一定的维持本身 PH 的能力 具有一定的缓冲性 其原因是水中存在以下 3 个 平衡系统 0 碳酸盐的一级与二级电离平衡 1 碳酸钙的溶解与沉淀平衡 2 离子交换缓冲系统 水中的粘土胶粒表面一般都带有电荷的阴离子或阳离子 多数为阴 离子 这些表面带电的基团都可以吸附水中与之带相反电荷的离子 从而建立离子交换吸 附平衡 第二节 二氧化碳平衡系统 分布系数 由酸碱质子理论和离解平衡关系可直接计算分布系数 详见分析化学和普通化 学 一 开放体系的二氧化碳平衡 0 CO2 的溶解与逸出平衡 1 溶解二氧化碳的电离平衡 2 碳酸盐的沉淀与溶解平衡 二 影响水体 pH 的因素 0 化学因素 如 亚铁丰富的地下水注入鱼池后 可使水的 pH 降低 1 物理因素 温度 pH 盐度 pH 2 生物因素 光合作用和呼吸作用 三 pH 分布变化特点 0 年际变化 冬季降低 夏季升高 1 垂直变化 表层水的 pH 值高于底层 pH 值是一个重要的水化及生态因素 影响水中物 质的存在形成及迁移过程 四 水体 pH 变化对水生生物的影响 0 pH 值超出一定的范围 高限为 9 5 低限为 4 5 就会直接造成鱼的死亡 1 过高 会使鱼的鳃组织因受腐蚀而患烂鳃病 过低 鱼的血液酸性增加 血液循环受阻 降低了载氧能力 造成缺氧症 即使水并不缺氧 2 pH 值偏高或偏低 亲鱼的性腺发育不良 对鱼类的胚胎发育影响大 3 低 pH 值下 铁离子和硫化氢的浓度都会增加 而这些成分的毒性又和低 pH 值有协同作 用 加大了对鱼类的毒害 高 pH 值又会增大氨的毒性 因为氨离子是水质中碱的重要指标 从而使得池水的 pH 值偏离了中性到弱碱性范围 4 pH 值影响水体的生物生产力 变得过高或过低时 都会抑制水中浮游植物的光合作用 和腐败菌的分解作用 从而影响水中有机质的浓度而影响鱼类的生长繁殖 五 养殖水体 pH 的调控 一 不同养殖生产阶段 对 pH 的要求不同 0 石灰清塘时 pH 必须大于 11 才能杀死有害生物 确保清塘效果 1 人工繁殖时 pH 以中性微偏碱为好 pH 小于 6 5 时 人工繁殖就不能顺利进行 人工繁 殖过程对低 pH 的灵敏性依次为 产卵 鱼苗生存 鱼苗生长 鱼卵受精 2 鱼苗培育时 以弱碱性为好 pH 较高 8 的鱼苗塘 培育效果往往较好 二 对 pH 偏低的水体应及时合理使用石灰水溶液 0 在池底淤泥积存过多 水中有机物质 特别是腐殖质浓度过高 浑浊黑暗 鱼病有蔓延 趋势的情况下 施用石灰水溶液尤为必要 可以使水质 底质向好的方面转化 1 地下水具有水温低 有机物少 有害生物少等优点 对孵化很有利 其缺点是 pH 碱 度偏低 缺 O2 H2S 与 CO2 较多 可能含有重金属等毒物 若能用石灰水处理提高 pH 并 充分曝气增氧 去害存利 再做孵化用水 常可得良好效果 2 有些水体 缓冲能力小 光合作用进行较强时 pH 就偏高 日差较大 此时 最好能 补给 CO2 如烟道废气 可以降低 pH 提高碱度及缓冲能力 若水中有机物不多 则应同 时施有机肥 间接供给 CO2 此法见效稍慢 但较持久 3 一些专用水质及底质改良剂 也有调节二氧化碳系统的作用 第五章 天然水中的生物营养元素 第一节 营养盐与藻类的关系 一 必需元素与非必须元素 必需元素 如果某种元素被证明至少是某种生物所必需的 则该元素称为必需元素 如果某种元素被证明至少是某种生物所必需的 则该元素称为必需元素 常量必需元素 常量必需元素 N N P P K K CaCa MgMg S S C C H H O O 等 等 微量必需元素 微量必需元素 FeFe MnMn CuCu ZnZn B B MoMo ClCl 等 等 非必需元素 植物正常生长发育不需要的元素 植物正常生长发育不需要的元素 二 藻类对营养盐的吸收藻类对营养盐的吸收 营养元素 水中的元素营养元素 水中的元素 N N P P SiSi 等 生物需求量较大 而往往含量较低 常常由于它们的等 生物需求量较大 而往往含量较低 常常由于它们的 不足而限制了植物的生长繁殖 故把这类元素称为营养元素 不足而限制了植物的生长繁殖 故把这类元素称为营养元素 营养盐 生物对营养盐 生物对 N N P P SiSi 的利用一般只吸收其中无机化合物的可溶性部分 如硝酸盐 磷的利用一般只吸收其中无机化合物的可溶性部分 如硝酸盐 磷 酸盐 硅酸盐 铵盐 亚硝酸盐等 故常把这些盐类成为营养盐 酸盐 硅酸盐 铵盐 亚硝酸盐等 故常把这些盐类成为营养盐 藻类吸收营养元素的特点 藻类吸收营养元素的特点 0 0 选择性 选择性 吸收有效形式吸收有效形式 N N NH4 NH4 NO3 NO3 NO2 NO2 P P H2PO42 H2PO42 HPO4 HPO4 一般不吸收磷脂类有机态磷一般不吸收磷脂类有机态磷 1 比例性比例性 按比例吸收营养元素按比例吸收营养元素 O O P P N N C C 138138 1 1 1616 106106 摩尔比摩尔比 142142 1 1 7 27 2 4141 质量比质量比 2 吸收速率吸收速率 a a 被动吸收 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 靠扩散 吸收速率决定于扩散速度 与浓度梯度有关 b b 主动吸收主动吸收 细胞利用呼吸做功可以逆着浓度差吸收营养物质的过程 符合酶反应动力学细胞利用呼吸做功可以逆着浓度差吸收营养物质的过程 符合酶反应动力学 规律 规律 三 酶促反应 0 KmKm 反映酶对底物的亲和力反映酶对底物的亲和力 1 KmKm 可作为藻类细胞能正常生长所需维持水中有效形式营养盐的临界浓度 可作为藻类细胞能正常生长所需维持水中有效形式营养盐的临界浓度 2 KmKm 可用于比较不同浮游植物吸收营养盐能力的大小 可用于比较不同浮游植物吸收营养盐能力的大小 KmKm 值越小 表明酶对底物的亲和值越小 表明酶对底物的亲和 力越强 即当较低的力越强 即当较低的 S S 时 时 V V 就可以达到较高值 所以当营养盐含量较低时 就可以达到较高值 所以当营养盐含量较低时 KmKm 值越小的值越小的 藻类越容易发展成优势种 藻类越容易发展成优势种 四 影响天然水体初级产量与生产速率的限制因素影响天然水体初级产量与生产速率的限制因素 0 营养元素有效形态的实际浓度营养元素有效形态的实际浓度 S S 太低 太低 为获得正常的初级生产速率 通常要求水为获得正常的初级生产速率 通常要求水 体的体的 S S 应维持在应维持在 3Km3Km 以上 以上 1 水体内营养元素的总储量或补给量不足水体内营养元素的总储量或补给量不足 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 迁移扩散速率太低以致有效浓度不足迁移扩散速率太低以致有效浓度不足 第二节第二节 天然水中的氮 天然水中的氮 一 天然水中氮元素的存在形态一 天然水中氮元素的存在形态 0 0 溶解游离态氮气 天然水中氮的最丰富形态 主要来自空气的溶解 溶解游离态氮气 天然水中氮的最丰富形态 主要来自空气的溶解 1 硝酸态氮 硝酸态氮 NO3 NO3 N N 富氧水体 含氮物质的最终氧化产物 稳定 富氧水体 含氮物质的最终氧化产物 稳定 缺氧水体 反硝缺氧水体 反硝 化菌作用而被还原化菌作用而被还原 2 亚硝酸态氮 亚硝酸态氮 NO2 NO2 N N 不稳定 含量少 不稳定 含量少 NH4NH4 N N 和和 NO3NO3 N N 间的一种中间氧化状间的一种中间氧化状 态 态 3 氨 铵 态氮 氨 铵 态氮 TNH4TNH4 N N 氨 铵 态氮指水体中以氨 铵 态氮指水体中以 NH3NH3 和和 NH4 NH4 形态存在的氮的含量形态存在的氮的含量 之和 或称为总氨或总氨氮 之和 或称为总氨或总氨氮 4 4 有机氮化物 尿素 氨基酸 蛋白质 腐殖酸等及其分解产物 含量少 性质复杂 有机氮化物 尿素 氨基酸 蛋白质 腐殖酸等及其分解产物 含量少 性质复杂 二 天然水中氮的来源和转化 一 天然水中氮的来源 0 大气降水的淋浴 大气降水的淋浴 1 地下径流从岩石和土壤的溶解 2 水体中水生生物的代谢和固氮作用 3 沉积物中氮的释放 4 人为污染 工业和生活污水 农业的退水等 人为污染 工业和生活污水 农业的退水等 5 对养殖水体来说 施肥投饵及养殖生物的代谢是水中氮的主要来源 二 天然水中的氮的转化 0 氨化作用氨化作用 含氮有机物在微生物作用下分解释放氨态氮的过程即为氨化作用 有无氧条含氮有机物在微生物作用下分解释放氨态氮的过程即为氨化作用 有无氧条 件效率相差不大 但产物有所不同 但都是铵态氮的氮 只是其他产物不同 件效率相差不大 但产物有所不同 但都是铵态氮的氮 只是其他产物不同 pHpH 影响氨影响氨 化速率 中性 弱碱性效率高 氨化作用所释放的氨是水体的有效氮源之一化速率 中性 弱碱性效率高 氨化作用所释放的氨是水体的有效氮源之一 1 1 同化作用 水生植物通过吸收利用天然水中的 同化作用 水生植物通过吸收利用天然水中的 NH4 NH4 NH3NH3 NO2 NO2 NO3 NO3 等合成自身的等合成自身的 物质 这一过程称为同化作用 藻类利用无机氮的先后顺序物质 这一过程称为同化作用 藻类利用无机氮的先后顺序 NH4 NH4 NO3 NO3 NO2 NO2 某些藻类 某些藻类 直接利用游离氮作为氮源 蓝藻 直接利用游离氮作为氮源 蓝藻 一般仅能吸收无机氮化合物 不能利用有机氮 一般仅能吸收无机氮化合物 不能利用有机氮 2 2 硝化作用 在通气良好的天然水中 经硝化细菌的作用 氨可进一步被氧化为 硝化作用 在通气良好的天然水中 经硝化细菌的作用 氨可进一步被氧化为 NO3 NO3 这一过程称为硝化 在养殖水体中受溶氧和这一过程称为硝化 在养殖水体中受溶氧和 PHPH 等的影响 等的影响 3 3 脱氨作用 在微生物作用下 硝酸盐或亚硝酸盐被还原为一氧化氮或氮气的过程 为脱在微生物作用下 硝酸盐或亚硝酸盐被还原为一氧化氮或氮气的过程 为脱 氮作用 氮作用 三 天然水中无机态氮与养殖生物的关系天然水中无机态氮与养殖生物的关系 有益的方面有益的方面 在适宜的浓度范围内 增加其含量 促进浮游植物生长 间接促进养殖生产 在适宜的浓度范围内 增加其含量 促进浮游植物生长 间接促进养殖生产 有害的方面有害的方面 浓度过高 常导致疾病的爆发流行 浓度过高 常导致疾病的爆发流行 一 无机态氮的危害 无机态氮的危害 0 对水质的影响对水质的影响 含量过高 导致水体富营养化 诱发有害水华或赤潮 危害生态平衡 含量过高 导致水体富营养化 诱发有害水华或赤潮 危害生态平衡 损害养殖生产 损害养殖生产 1 对养殖生物的危害对养殖生物的危害 影响动物的生长发育和变态 甚至对养殖生物具有毒害作用 影响动物的生长发育和变态 甚至对养殖生物具有毒害作用 1 1 NH4 NH4 与与 NH3NH3 0 可通过生物表面渗入体内可通过生物表面渗入体内 1 非离子氨与离子氨均具有毒性非离子氨与离子氨均具有毒性 2 毒性大小不同 非离子氨毒性大小不同 非离子氨 离子氨离子氨 3 影响毒性大小的因素 影响毒性大小的因素 pHpH 溶氧 硬度 浓度大小 生物种类 不同发育阶段等 溶氧 硬度 浓度大小 生物种类 不同发育阶段等 2 2 氨 氨 0 0 氨的来源 氨的来源 含氮有机物的分解产品含氮有机物的分解产品 含氮化合物的反硝化还原 含氮化合物的反硝化还原 水生动物的排泄水生动物的排泄 物 物 无机氮肥的施用无机氮肥的施用 1 1 氨氮在池水有明显的昼夜变化 垂直变化和水平变化 这与植物的光合作用 有机物的 氨氮在池水有明显的昼夜变化 垂直变化和水平变化 这与植物的光合作用 有机物的 分解 动物的排泄有密切关系分解 动物的排泄有密切关系 2 2 防止氨积累和对养殖虾类的危害的措施 防止氨积累和对养殖虾类的危害的措施 换水换水 晴天中午开动增氧机搅水晴天中午开动增氧机搅水 维维 持良好的水色持良好的水色 使用底质改良剂及微生物制剂 硝化细菌直接吸收 使用底质改良剂及微生物制剂 硝化细菌直接吸收 调节适中调节适中 的的 pHpH 值 值 3 3 NO2 NO2 N N 0 0 养殖水域中的亚硝酸盐是诱发水产动物暴发性疾病的重要环境因素 养殖水域中的亚硝酸盐是诱发水产动物暴发性疾病的重要环境因素 1 1 机理 亚硝酸盐可将鱼虾蟹血液中的亚铁血红蛋白氧化成为高铁血红蛋白 从而抑制血 机理 亚硝酸盐可将鱼虾蟹血液中的亚铁血红蛋白氧化成为高铁血红蛋白 从而抑制血 液的载氧能力 造成生理缺氧 液的载氧能力 造成生理缺氧 2 2 鱼虾某些新陈代谢功能失常 体力衰退 此时鱼虾很容易患病 很多情况出现大面积暴 鱼虾某些新陈代谢功能失常 体力衰退 此时鱼虾很容易患病 很多情况出现大面积暴 发疾病死亡 长期生活在含高浓度亚硝酸盐水中的鱼虾蟹 会出现慢性中毒 此时鱼虾摄发疾病死亡 长期生活在含高浓度亚硝酸盐水中的鱼虾蟹 会出现慢性中毒 此时鱼虾摄 食量降低 鳃组织出现病变 呼吸困难 骚动不安 食量降低 鳃组织出现病变 呼吸困难 骚动不安 四 防治方法四 防治方法 一 物理方法物理方法 0 加注新水加注新水 1 曝气曝气 2 沸石粉沸石粉 3 麦饭石麦饭石 4 纳米净水材料纳米净水材料 二 化学方法 0 次氯酸钠次氯酸钠 释放新生态氧 具有氧化能力 将亚硝酸盐氧化为无毒性的硝酸盐氮 释放新生态氧 具有氧化能力 将亚硝酸盐氧化为无毒性的硝酸盐氮 1 臭氧臭氧 具有强的氧化能力 氧化亚硝酸盐具有强的氧化能力 氧化亚硝酸盐 三 生物学方法 0 光合细菌光合细菌 1 诺卡氏菌属诺卡氏菌属 2 浮游植物的大型绿藻 席藻 螺旋藻和小球藻浮游植物的大型绿藻 席藻 螺旋藻和小球藻 3 3 大型水 大型水 生植物的伊乐藻 轮叶黑藻生植物的伊乐藻 轮叶黑藻 四 四 固定化微生物技术 固定化微生物技术 0 吸附法 又叫载体结合法 是以微生物细胞自然附着力吸附法 又叫载体结合法 是以微生物细胞自然附着力 物理吸附 离子结合物理吸附 离子结合 的方式通的方式通 过固定在载体表面和内部形成的生物膜而发挥作用 过固定在载体表面和内部形成的生物膜而发挥作用 1 包埋法 是指用高分子材料制成凝胶 将微生物包埋在其内部的一种物理方法 包埋法 是指用高分子材料制成凝胶 将微生物包埋在其内部的一种物理方法 五 微生物制剂微生物制剂 利用微生物间的互生关系 辅代谢等生理特性 将具有特定生物转化能力的菌株经过筛选 利用微生物间的互生关系 辅代谢等生理特性 将具有特定生物转化能力的菌株经过筛选 扩增 放大培养制成菌剂扩增 放大培养制成菌剂 投放到受污染的环境中 对污染物进行原位降解和转化 投放到受污染的环境中 对污染物进行原位降解和转化 五 池水氨氮 亚硝酸氮含量的调控池水氨氮 亚硝酸氮含量的调控 0 严格投喂管理严格投喂管理 1 维持良好的池塘水色维持良好的池塘水色 2 促进水池的混合对流促进水池的混合对流 3 适量换水 并掌握适量换水 并掌握 合理的换水时间合理的换水时间 4 提高池塘排污效率提高池塘排污效率 5 施用适量的沸石粉施用适量的沸石粉 6 施用适量的光合细菌和施用适量的光合细菌和 芽孢杆菌等有益微生物制剂芽孢杆菌等有益微生物制剂 7 7 保持池水中浮游动物种群数量的相对稳定 保持池水中浮游动物种群数量的相对稳定 第三节 第三节 天然水中的磷 植物营养三要素之一植物营养三要素之一 一切藻类必须的营养元素一切藻类必须的营养元素 磷化合物其溶解性小 迁移性小 所以磷化合物其溶解性小 迁移性小 所以 养殖水体内磷的补给量和迁移速率往往满足不了藻类需要 故磷常成为水体中藻类和其它养殖水体内磷的补给量和迁移速率往往满足不了藻类需要 故磷常成为水体中藻类和其它 水生植物的限制性营养元素水生植物的限制性营养元素 一 天然水中磷的存在形态 一 溶解态无机磷 0 无机正磷酸盐 以 H3PO4H3PO4 H2PO4 H2PO4 HPO42 HPO42 PO43 PO43 的形态存在 各部分的相对比例的形态存在 各部分的相对比例 分布系数 随 分布系数 随 PHPH 的不同而异 的不同而异 1 无机缩聚磷酸盐 受工业废水或生活污水污染的天然水含有无机缩聚磷酸盐 他们是某 些洗涤剂 去污粉的主要添加成分 二 溶解态有机磷 主要是指一些低分子有机磷 如磷酸腺苷 主要是指一些低分子有机磷 如磷酸腺苷 ATPATP ADPADP AMPAMP 等 等 磷酸甘油酸以及磷脂 磷酸甘油酸以及磷脂 主要来自水生生物的代谢废物主要来自水生生物的代谢废物 三 三 颗粒磷 颗粒磷 悬浮颗粒物悬浮颗粒物 直径大于直径大于 0 45um0 45um 的物质 这些颗粒内部或表面常常含有有机磷和无机磷酸的物质 这些颗粒内部或表面常常含有有机磷和无机磷酸 盐 颗粒状无机磷主要为 盐 颗粒状无机磷主要为 Ca10 PO4 6 OH 2Ca10 PO4 6 OH 2 Ca3 PO4 2Ca3 PO4 2 FePO4FePO4 等容度积极小的难溶性等容度积极小的难溶性 磷酸盐 磷酸盐 活性磷酸盐活性磷酸盐 凡能与酸性钼酸盐反应凡能与酸性钼酸盐反应的 包括磷酸盐 部分溶解态的有机磷酸盐 吸附在悬浮物表面的 磷酸盐以及一部分在酸性中可以溶解的颗粒无机磷等统称为活性磷化合物 相反为非活性 磷化合物 由于活性磷化合物主要以可溶性磷酸盐的形态存在 所以通常称为活性磷酸盐 四 四 有效磷与总磷 有效磷与总磷 有效磷 能被藻类直接吸收利用的磷 一般可把活性磷看成有效磷有效磷 能被藻类直接吸收利用的磷 一般可把活性磷看成有效磷 总磷 包括水样中各种形式的磷总磷 包括水样中各种形式的磷 二 天然水中活性磷酸盐的分布变化及其影响因素 一 参与天然水中磷循环的各种因素 0 生物有机残体的分解矿化 在天然水中 水生生物的残体以及衰老或受损的细胞 由于 自溶作用而释放磷酸盐 同时 因悬浮于温跃层和深水层暗处受微生物的作用而迅速再生 的无机磷酸盐 构成水体中磷酸盐的重要来源 1 沉积物的释放 大多数地表水水质系 其沉积物为上覆水有效磷的一个巨大的潜在源 2 水生生物的分泌与排泄 天然水中浮游植物在分泌出有机脂等有机态磷并使之重新参与 磷循环方面起着重要作用 浮游动物排泄的磷酸盐常常是有机磷的重要的再生途径 3 水生植物的吸收利用 天然地表水的真光层中 大量的有效磷在水生植物生长繁殖过程 中被吸收利用 构成天然水中磷循环的重要环节之一 其中 在大多数缺磷饥饿的藻类细 胞 一旦接触到有效磷含量较高的水质环境 其吸收利用的速度极快 此时 多吸收的磷 一般以多聚磷酸盐的形态储存在细胞中 4 若干非生物学过程 天然水中含磷物质的外部来源主要为降水 冲刷土壤地表径流以及 生活污水 可溶性喊磷物质的化学沉淀或吸附沉淀可以使部分有效磷离开水体 天然水体 内的化学沉淀作用 主要是通过 Fe3 Al3 Ca2 等离子形成难溶磷酸盐沉淀 此外 悬 浮于水中的粘土微粒或胶粒 可把说中的磷酸二氢盐紧紧吸附在其表面 并无论是水体中 的化学沉淀或者液 固界面上的吸着作用都可以降低水中的有效磷浓度 所以大多数区域 都是严重缺磷的 致使磷成为初级生产力的重要限制因素 通常 随着水体 PH 的降低 有 效磷的化学沉淀或吸附固定的趋势减小 二 二 磷循环的特点 磷循环的特点 0 0 磷循环中 始终以磷氧四面体 磷循环中 始终以磷氧四面体 PO4 3 PO4 3 基团在生物与非生物间交换基团在生物与非生物间交换 1 由于不发生反应机理较复杂 反应速度较慢的氧化由于不发生反应机理较复杂 反应速度较慢的氧化 还原反应 故磷循环所需要时间还原反应 故磷循环所需要时间 较短较短 2 在气温较高季节 水生生物 浮游植物 量大 施磷肥后不久 测得水体中可溶性磷增在气温较高季节 水生生物 浮游植物 量大 施磷肥后不久 测得水体中可溶性磷增 加不明显或甚少加不明显或甚少 三 磷的无效形式的有效化磷的无效形式的有效化 0 0 含磷有机物的矿化 含磷有机物的矿化 和自然界各有机物矿化一样 含磷有机物矿化也和微生物活动密切和自然界各有机物矿化一样 含磷有机物矿化也和微生物活动密切 相关 特别是微生物体外磷酸酶活性高低关系更重要 相关 特别是微生物体外磷酸酶活性高低关系更重要 磷酸酶磷酸酶 活性高低 主要与温度 活性高低 主要与温度 pHpH 和和 DODO 有关有关 从从 pHpH 和和 DODO 这两个条件来看底质层不利于有机磷化合物矿化这两个条件来看底质层不利于有机磷化合物矿化 增高 增高 pHpH 有有 利于有机态磷的矿化和交换解吸 利于有机态磷的矿化和交换解吸 1 1 难溶无机磷酸盐的溶解 难溶无机磷酸盐的溶解 无机磷酸盐的溶解 同样离不开细菌的作用无机磷酸盐的溶解 同样离不开细菌的作用 降低降低 pHpH 出现 出现 还原性条件则有利于难溶无机磷酸盐的溶解 还原性条件则有利于难溶无机磷酸盐的溶解 四 磷的分布特点磷的分布特点 0 不同季节增磷作用和耗磷作用强度差不同季节增磷作用和耗磷作用强度差 1 同一季节 同一水体在不同水层 增磷和耗磷情况有差异同一季节 同一水体在不同水层 增磷和耗磷情况有差异 2 因而水体内的磷表现出明显的时空分布不均现象因而水体内的磷表现出明显的时空分布不均现象 3 藻类大量增殖的季节与水层 越可能发生缺磷 这就需据具体情况采取一定措施藻类大量增殖的季节与水层 越可能发生缺磷 这就需据具体情况采取一定措施 第四节第四节 天然水中的硅和微量营养元素天然水中的硅和微量营养元素 一 天然水中的含硅化合物一 天然水中的含硅化合物 0 天然水中的含硅化合物的存在形式有可溶性硅酸盐 胶体 悬浮物以及作为硅藻组织的 硅等 可溶性硅大多以正硅酸及其硅酸盐存在 1 天然水中有效硅酸盐是许多浮游植物必须的一种大量营养元素 尤其是对于硅藻类浮游 植物 放射虫和硅质海绵 是构成其机体的不可缺少的组分 2 硅藻及其他生物对硅的吸收利用以及与 Ca AL 等离子的沉淀反应可降低有效硅的浓度 而含硅悬浮物的溶解 特别是薄壁硅藻残骸的沉降过程的溶解 可使有效硅含量增加 厚 壁型硅藻死亡后溶解较慢 往往沉降至底层或进入沉积物而脱离循环 3 大陆上含硅岩石风化后 被溶解呈胶状的硅酸 铝硅酸或其盐类 随大陆水不断被带入 海水 成为海洋中硅的重要来源 二 铁 0 铁属于动物和植物不可缺少的微量营养元素 是叶绿素 血红素中的组成部分 也是某 些酶的重要成分 在生物氧化还原过程中起着重要作用 也是海洋中初级生产力的限制性 因子 1 一般 天然地面水的含铁量较低 地下水的含铁量较高 地面水和地下水中的含铁量与 水流经地区所接触的岩石土壤的含铁量有关 2 含大量铁的地下水 主要为二价铁 大量注入鱼池 会使水质发生一系列的变化 二价 铁被氧化成氢氧化铁 水变浑浊 PH 降低 氢氧化铁絮凝时会将水中的藻类及悬浮物一并 混凝 下沉 使水有变澄清 过几天浮游植物又会繁生 水色又渐渐变深 PH 回升 大量 二价铁氧化成氢氧化铁是要消耗水中的氧 使水体缺氧 且大量的氢氧化铁微粒会堵塞鱼 鳃 聚沉藻类 一 富铁水的危害富铁水的危害 富铁水特点 地下水 富铁水特点 地下水 pHpH 较低 缺氧 较低 缺氧 Fe2 Fe2 铁的去除铁的去除 富铁地下水不能直接使用富铁地下水不能直接使用 0 接触氧化过滤法接触氧化过滤法 以表层覆有一层二氧化锰的砂或沸石作为过滤材料 同时在水中添加以表层覆有一层二氧化锰的砂或沸石作为过滤材料 同时在水中添加 氧 氯气或高锰酸钾等氧化剂 从而形成氧 氯气或高锰酸钾等氧化剂 从而形成 Fe OH 3Fe OH 3 而除去过量的铁而除去过量的铁 1 氧化凝集处理法 以曝气的形式 将铁形成氧化凝集处理法 以曝气的形式 将铁形成 Fe OH 3Fe OH 3 而沉淀的分离法 而沉淀的分离法 Fe OH 3Fe OH 3 为胶状为胶状 体在水中悬浮 可添加明矾等凝集剂 将胶体的铁凝剂并与体在水中悬浮 可添加明矾等凝集剂 将胶体的铁凝剂并与 Al OH 3Al OH 3 凝集沉淀一同分离凝集沉淀一同分离 2 2 臭氧法 用臭氧进行氧化 形成凝集沉淀 过滤以去除铁 一般臭氧 臭氧法 用臭氧进行氧化 形成凝集沉淀 过滤以去除铁 一般臭氧 1 1 分钟即有分钟即有 90 90 的的 去除率 发生的化学去除率 发生的化学 3 3 铁细菌 铁细菌能将二价的铁化合物氧化成为三价的铁化合物而获得能量 铁细菌 铁细菌能将二价的铁化合物氧化成为三价的铁化合物而获得能量 Fe OH 3Fe OH 3 沉积在菌体表面或其分泌物中 这类细菌广泛存在于自然界尤其是地下水中 只要水中含沉积在菌体表面或其分泌物中 这类细菌广泛存在于自然界尤其是地下水中 只要水中含 0 02mg L0 02mg L 的铁即会繁殖 井水中往往有铁锈状物质或红褐色的粘片状物质 就是铁细菌繁的铁即会繁殖 井水中往往有铁锈状物质或红褐色的粘片状物质 就是铁细菌繁 殖的缘故 殖的缘故 二 二 铁的来源 铁的来源 0 0 大气气溶胶干湿沉降的铁输入 开阔远海 大气气溶胶干湿沉降的铁输入 开阔远海 1 1 垂直混合和上升流输入 垂直混合和上升流输入 开阔远海 开阔远海 2 2 河流和底层沉积物输入 沿海和大陆架 河流和底层沉积物输入 沿海和大陆架 3 3 表层水中生物细胞铁的循环利用 沿海和大陆架 表层水中生物细胞铁的循环利用 沿海和大陆架 三 三 淡水湖泊中铁的来源 淡水湖泊中铁的来源 0 0 流域岩石土壤的分化侵蚀产物 流域岩石土壤的分化侵蚀产物 1 1 大气沉降 大气沉降 2 2 工农业生产及城市生活废水 工农业生产及城市生活废水 三 其他微量元素 一 铜与锌 铜与锌都是植物生长必不可少的微量营养元素 均在数种酶中起决定性作用 铜在叶绿素 合成中起主要作用 锌则参与了植物体中生长素 吲哚乙酸 的合成 植物缺铜则出现缺 绿症 缺锌则生长受阻 铜和锌也是动物不可缺少的元素 在地表水中均以正二价态存在 都有易被络合与被吸附的性质 铜过量对生物有害 而锌对海洋生物的毒性受环境因素如 硬度 溶解氧 温度等的影响 二 锰与钼 锰是生理上进行的一些可逆反应不可缺少的元素 还是提高植物呼吸作用的重要物质 能 促进肽酶和精氨酸酶的活性 同时又能提高碳水化合物的同化作用和淀粉酶的活性 钼是 固氮酶和硝酸还原酶的组成元素 磷酸酶的活性也会受到缺钼的影响 上述微量元素的分布 存在形态均很复杂 第六章 水环境中的氧化还原反应 重要性 影响元素存在的形态及迁移能力 重要性 影响元素存在的形态及迁移能力 特点 特点 0 过程进行缓慢过程进行缓慢 1 微生物可以加速反应过程微生物可以加速反应过程 2 同一水质系的不同部位的氧化状同一水质系的不同部位的氧化状 态不同上层和下层 表面和内部态不同上层和下层 表面和内部 第七章 第七章 水环境中的胶体与界面作用 一 相应概念 0 0 分散体系 把一种或几种物质分散到另一种物质中所构成的体系 分散体系 把一种或几种物质分散到另一种物质中所构成的体系 1 1 分散相 分