第六章 天然水中的生物营养元素

1、第六章 天然水中的生物营养元素 第一节植物对营养元素吸收的一般规律一、必需元素与非必需元素必需元素：生物正常生长发育所必需而不能用其他元素代替的营养元素。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 注意：必需元素，当其浓度超过一定限度，将对生物产生明显的毒害作用。 非必需元素：生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，就会出现或中毒症状，又称无素。如、镉、铅等。 二、藻类对营养盐 （N、P 和 Si 等无机

2、营养元素）的吸收米氏方程：描述藻类对营养盐的吸收速率与水中营养盐浓度的关系。半饱和常数（Km)反映酶对底物的亲和力（较低的S值时，V 就可达到高值)。Km 值大，表明底物与酶结合不稳定，要达到较高吸收速率所需的S较高。Km 可用于比较不同浮游植物吸收营养盐能力的大小。在光强、水温及其他条 件适宜而营养盐含量较低时，Km 值小的浮游植物容易发展为优势种。影响天然水体初级产量与生产速率的限制因素（1） 水中营养元素的平均有效浓度S。为获得正常的初级生产速率，通常要求 水体的S应维持在3Km 以上。紧靠藻类细胞表面水体中营养盐的有效浓度S0。（2）（包括可能的补给量) S储。（3） 水中营养盐的总储

3、存量（4）向藻类细胞表面迁移补给有效营养盐的速率。三、水体中的浮游植物天然水体浮游植物量的估算方法1.2.3.4.显微镜下计数 测定叶绿素 （Chlorophyll a)黑白瓶法 （通过溶氧的变化来判断） 盘 （the Secchi disk visibility)注意：这种方法是假设水体中大多数的颗粒有机物的来源是浮游植物。贫营养化水体的实测值一般大于 4 米；而富营养化水体在 1 米以内。 第二节 氮元素及其循环（一）、氮元素的来源与存在形式水体中氮元素的主要存在形态游离态氮 氨 氮亚硝氮硝酸氮有机氮 1. 溶解游离态氮气（Atmospheric Nitrogen gas (N2)主要来源

4、于空气溶解。20标准大气压下淡水 14.88 mg/L;表水中游离氮的含量为近饱和。 海水 12.08 mg/L。地2. 氨态氮非离子氨 Unionized Ammonia (NH3): NH3-NIonized Ammonia (NH4+) : NH4+-NTotal Ammonia Nitrogen (TAN): NH3 和 NH4+离子氨总氨氮NH4+ = NH3+ + H+k=10-9.24 渔业水质标准中规定非离子氨含量不得超过 0.020 mg/L。3. 硝酸态氮 （Nitrate NO3-N )在通气良好的天然水域，含氮化合物氧化的最终产物。但在缺氧水体中可被还原。 4. 亚硝态

5、氮 （Nitrite NO2-N )常比其他形态的无机氮含量低很多。一种中间不稳定形态的氮。5. 有机氮 （organic N )来源残饵、粪便和一些活的有机物天然水中氮的主要来源a.b.c.d.e.f.大气降水下落过程中从大气中的琳溶地下径流从岩石土壤的溶解 水中生物的固氮作用 注入含有大量氮化合物的生活和工业混合水水生生物和鱼类的代谢产物中含有氮。 鱼池中施入大量畜禽粪肥，分解产生无机氮（二）、氮元素的循环1. 固氮作用 (Nitrogen Fixation)天然水和沉积物中的一些藻类（蓝、绿藻）及细菌，他们具有特殊的酶系统，能 N2，转变为生物能够利用的化合物形态，这一过程把一般生物不能

6、利用的单质称为固氮作用。 a.b.c.罗非鱼养殖池塘固氮作用输入的氮占总输入氮的 11%。 浮游植物每年能固定 1-10 kgN/ha，但一些底栖的藻类和细菌能固定更多 N。当水体中硝氮和氨氮含量上升时，固氮作用减弱。因为微生物对氨氮和硝氮的利用所需的能量更低。 生物固氮是一个耗能的过程，在厌氧和有氧环境下均可进行。 当水体中总 N:总 P 升高时，固氮速率降低。当此比例达到 13 时，固氮作用停止。 d.e.氨化作用 （Ammonification）2.含氮有机物在微生物作用下，部分氮转化为生物体中的有机氮，其余以氨氮的形式释放到环境中。（部分英文教材也将这个过程称为有机氮的矿化作用）。 好

7、氧和厌氧条件下均可；中性、弱碱性环境效率较高。 细菌的碳吸收利用效率为 5%，即有机底物中的 5%的碳，通常能被转化为生物量。而细菌干重中，通常 50%为 C, 10%为 N。 C:N 比是决定有机物分解速率的重要因素。有机物通常含有 40-50% C，而 N 含量在小于 0.5%到大于 10%之间波动。当有机物中 N 的含量升高时，有机物分解速率增加，矿化的 N 的量也增加。其原因是（1）氮含量高的有机物更容易被分解；（2）能够为微生物提供足够多的氮。 一般来讲，C:N 比在 5:1-20:1 之间，有机物分解较快，而在 20:1 以上时，分解缓慢。 3. 同化作用 （Ammonificat

8、ion ）水中植物通过吸收利用天然水中的 NH4+ （NH3）、NO2-、NO3-等无机氮合成自身的物质。这一过程称为同化作用。 NH4+ （NH3）、NO2-、NO3-等无机氮化合物可被藻类直接吸收利用，为有效氮；绝大多数藻类优先利用氨氮，只有在氨氮几乎耗尽时，才开始利用硝氮。 构成藻类原生质中 C、N、P 平均组成，按原子个数为 106:16:1。绝大多数藻类干重的 5%-10%为氮。 天然水体有效氮浓度应保持在 20 mol/L 以上，但不易超过过多。浮游植物的光合作用是水体无机氮尤其是氨氮去除的重要方式；水体中的大型藻类也能吸收水中的有效氮，将其转化为生物体氮。 植物体内的有机氮的命运

9、（氨化作用）： 植物体死亡后，会被微生物分解，其中的营养物质继续进入物质循环。当植物体被动物使用后，会转化为动物体内的 N 或者被排泄掉。 4. 硝化作用 （Nitrification）经硝化细菌的作用，氨进一步被氧化成硝酸根的过程。NH4+ + 1O2 = NO2- + H2O + 2H+（1）NO2- + O2 = NO3-将（1）和（2）合并： （2）NH4+ + 2O2 = NO3- + H2O + 2H+ （3）第一阶段由亚硝化单胞菌（Nitrosomonas）引起，第二阶段由硝化杆菌（Nitrobacter） 引起；在氧化过程中获取能量，以二氧化碳为碳源的化能自养型生物。 硝化作用

10、适宜 pH 为弱碱性，其中以 pH 为 8.4 最好。在 pH7.8-8.9 范围内，硝化 速率可保持最大速度的 90%。 在 pH=9.5 以上时，硝化细菌受到抑制。而在 pH 为 6.0 以下时，亚硝化细菌被抑制。 在 5-30 范围内，温度升高，硝化作用加快。低于 5 或高于 40 时，硝化作用受到抑制。 5. 脱氮作用（反硝化作用 Denitrification）在微生物的作用下，硝酸盐或亚硝酸盐被还原为一氧化二氮（N2O）或氮气（N2） 的过程。 脱氮菌（反硝化细菌），约占水体细菌总数的 5%。 还原产物随具体还原条件而不同。例如在 30，N2 和 N2O 各占一半。pH 7-8 为

11、最适范围，5 时，停止；反应速率随硝氮和亚硝氮含量的增高而增大； 溶氧低于 0.15-0.5mg/L 才能顺利进行。 6 氨氮的挥发作用 （Ammonia Volatilization）氨氮（NH3) 是气体，它会从水中挥发到大气中。高的 pH 值和风会加速氨氮的挥发。 氨氮的挥发作用会造成养殖池塘的氮损失。（三）、天然水体中无机氮与养殖生物的关系 a. NH4+(NH3), NO3, NO2-等无机氮可以被藻类直接利用，在适宜浓度下，增加其含量，可提高浮游植物的生物量。 b. 水体无机态氮含量过高，会导致水体富营养化。 c. 某些形态的氮对养殖生物存在一定毒性。 几种形式的氮1. 亚硝酸盐致

12、病原因：NO -进入血液后，直接与血红蛋白反应生成高铁血红蛋白，减少了血2的氧气输送，对鱼类和其他水生生物造成生理缺氧，产生。 造成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，此时鱼虾摄食量降低，鳃组织出现病变，呼吸困难，不安。 淡水中，Cl:NO2-在 6-10:1 能够使养殖生物在 5-10 mg/L 的亚硝氮浓度下，不产生高铁血红蛋白症状；咸水中，由于其钙和氯的浓度很高，大大降低了亚硝氮对 鱼类的毒性。 2. 非离子氨案例：东北某鱼种厂，培养白鲢亲鱼（滤食性鱼类）。施加氨态氮和过磷酸钙肥水

13、，效果很好。在未做检测的情况下，技术人员继续施加了两次氮肥，结果造成了全池鱼中毒死亡。 原因：氨态氮肥过剩与浮游植物发展过快，造成 pH 升高。氨态氮在高 pH 下的毒性更大。 对水产动物的毒害依其浓度的不同而不同，在 0.01-0.02 mg/L 的低浓度（以氮计） 下，水产动物会慢性中毒，抑制其生长； 在 0.02-0.05 mg/L 的浓度下，氨会和其它造成水产动物疾病的病因共同作用，加速其死亡； 在 0.05-0.2 mg/L 的浓度下，会破坏水产动物的皮、胃、肠道的粘膜，造成体表和内部器官 ； 而在 0.2-0.5 mg/L 的浓度下，水产动物则会因急性中毒而死亡。鱼虾在发生高浓度氨

14、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，鳃部及鳍条基部明显，鱼多在水域表面游动，死亡前眼球突出，张口挣扎。 3. 硝 酸 根 浓度很高时，也可对养殖生物产生毒性。例如：NO3-N 对 6-8cm 硬头鳟 96h 和 7d LC50 值在淡水中分别为 1360 mg/L 和 1060 mg/L。 （四）、水中氮的分布变化规律1. 海 水季节变化：夏季浮游植物繁殖季节，氮含量降为最低。夏季过后，TNH4-N 含量首先回升，伴随着 NO2-N 和 NO3-N 的回升。当冬季 NO3-N 含量达到高峰时， NO2-

15、N 含量下降。 空间变化：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；开阔 大洋中高纬度海域高于低纬度海域。 NO2-N 通常只存在于浅海和底层海水中。垂直分布：在大洋真光层，由于海洋浮游生物大量吸收无机氮，致使无机氮含量很低，有时甚至被消耗殆尽。被生物摄取的氮转化为颗粒态含氮有机物。在微生 物的参与下，生物新陈代谢过程的排泄物和死亡后的残体在向深层沉降的过程中会有一部分重新转化为溶解态无机氮，释放回水中。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，氮的垂

16、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。 2. 江河、湖泊、水库和池塘淡水中硝酸盐含量差异很大，每升水从数微克到数十微克。在未污染的水中，氨氮和硝氮通常0.25 mg/L，在污染水体中可超过 1，而在严重污染水中可达 5-10 mg/L。 在溶氧充足的水体中，亚硝氮通常0.05 mg/L，而在污染或缺氧水体中，其可达到几 mg/L。 第

17、三节 磷元素及其循环磷在天然水体中的含量很低，但却是浮游生物生长必需的营养元素。P 都是+5 价， 仅存在不同形态的转化，而不存在不同价态间的转化。 天然水体中缺磷比缺氮更严重，水体中 N:P 约为（10:1）。因为底质吸收磷，一些金属如铁、铝和钙会和磷形成难容的磷化物。 一、天然水中磷酸盐的主要形态 1. 无 机 磷 （inorganic phosphorus)只有在 pH 极低的情况下，H3PO4 含量才会较高。只有在碱性环境下，PO43-含量才会较高。在自然水体 pH 范围内，H2PO4-和 HPO42-占主导。 2. 无机缩聚磷酸盐4-5-受工业污染或生活污水污染的天然水含无机缩聚磷酸

18、盐，如 P2O7 、P3O10 ，它们是某些洗涤剂和去污粉的主要成分。很容易水解成磷酸盐。 导致水体富营养化的重要因素，各国已限制其在洗涤剂中的应用。3. 溶解态有机磷有机体的分解产物如磷蛋白、白、磷脂和糖类磷酸盐等，以及生物体中存在的氨基磷酸与磷核苷酸类化合物。 4. 颗 粒 磷天然水中悬浮颗粒物指被 0.45 m 微孔滤膜阻留的物质。颗粒物内部或表面常含有无机磷酸盐（如 FePO4、Ca3(PO4)2 等）和有机磷（主要包括存在于生物体组织中的各种磷化合物）。 植物（干重）含有 0.05-0.5%的磷，鱼含有 2-3%的磷。像氮一样，有机磷也可以被矿化。活的生命体和被分解的有机底物的 N:

19、P 通常在 7:1-10:1 之间。 天然水的总磷含量中各部分所占的比例因不同水域而有显著差异，贫营养水体中以可溶性无机磷(DIP)较高。如 Maine 海湾, DIP 占 TP 的 70-90%；DOP 占 2%- 20%；颗粒磷占 6%以下。 在酸性条件下，含磷化合物与钼酸氨等反应，生成磷钼杂多酸，被还原剂还原为蓝色络合物（磷钼蓝）。 能与酸性钼酸盐反应的含磷化合物为活性磷化合物，包括磷酸盐、部分溶解有机磷、吸附在悬浮物表面的磷酸盐，以及一部分在酸性中可溶解的颗粒无机磷。 主要以可溶性磷酸盐的形态存在，因此通常称为活性磷（酸盐），并以 PO4-P 表示。 不与酸性钼酸盐反应的为非活性磷化合

20、物。 实际生产中测定 TP （Total Phosphorus）和 SRP (Soluble Reactive Phosphorus)。其中 SRP 是溶解性的 P，主要是 PO4-P。能被水生植物直接吸收利用的部分为有 效磷，例如溶解无机正磷酸盐。二 天然水中活性磷酸盐分布变化及影响因素（一） 参与天然水中磷循环的各种因素1. 生物有机残体的分解矿化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出磷酸盐，构成水 体中有效磷的重要来源。 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磷脂等有机态磷并使之重新参与磷循环方面起着重要作用。 浮游动物排泄磷酸盐常常是有效磷的重要再生途

21、径。（例如：有研究证明，当系统处于稳定状态时，被浮游动物吞食的细菌和浮游植物的总磷中，约有 54%以PO4-P 的形态排泄到水中）。 鱼类及其他水生生物的代谢废物内也含有磷。（例如：壳长为 29mm 的菲律宾蛤仔的排磷速率按照干体重计为 6.22 g/(g.d)）。 3. 水生植物的吸收利用藻类吸收利用有效氮和有效磷时一般按照 P/N = 1:16 (或 15）的比例进行。植物可以很迅速的从水体中吸收磷。在浮游植物密集的水体中，0.2-0.3mg/L 的磷可在几小时内被吸收掉。某些植物可在瞬间吸收大量的磷。 4.可溶性含磷物质的化学沉淀或吸附沉淀P 被添加到 pH 值为 7 或以下的水体中时，

22、P 会与铁或铝反应，形成沉淀。在中性和碱性环境中，P 主要是与钙形成化合物。 在有氧的底质中，磷酸盐在 pH 为 6 到 7 时，溶解度最高。因为在这个 pH 范围内，被 Al、Fe 和 Ca 沉淀的磷酸盐较少。但即便如此，溶解的磷酸盐浓度仍然很低，大多数磷酸根会被土壤颗粒吸收或形成其他难溶的有机物。 自然水体中磷含量很低。除了富营养化和污水中，总磷很少超过 0.5mg/L。颗粒磷的含量常高于溶解磷。 底泥中 P 的含量比水中高，10-4000mg/kg。但多数磷不可被生物利用。5. 沉积物的释放 底泥中的磷可通过微生物的活动以及离子交换等方式重新回到水体中。当间隙水中可溶性有效磷浓度大于底层水中的浓度时，由于扩散作