【《溶解氧水质标准浅析的国内外文献综述》4200字】

-8-溶解氧水质标准研究的国内外文献综述1.1溶解氧的平衡过程及其影响因素溶解氧主要来源于大气中氧气的溶解和水中浮游植物的光合作用[3]。水-气界面溶解氧浓度差越大，水面波动越剧烈，溶氧速度越快[4]。水体与大气之间的气体交换平衡时，溶解氧达到饱和状态。饱和溶解氧浓度受环境影响较大，水体温度越高，盐度越大，气压越低，水中饱和溶解氧浓度越低。藻类存在的水体中，溶解氧浓度可达到超饱和状态，在无风浪的情况下，水体溶解氧可达到饱和度的2倍以上[5]。随着深度的增加，大气氧气的传输越来越弱，如果水体受温度、盐度等影响产生层化现象，底层氧气来源大大减少，下层的耗氧物质仍然不断消耗氧气，当耗氧超过产氧时会产生严重的缺氧状况。结冰的水体也会抑制溶解氧的大气来源，冰盖和积雪会改变光向水中的透射，影响冰下浮游植物的产氧作用[6]。溶解氧在水中的消耗过程按照反应类型可分为物理消耗、化学消耗和生物消耗。物理消耗是指溶解氧在水-气界面浓度差作用下逸出，风浪的作用下会增加水气接触面积，加快溶解氧逸出[7]。化学消耗是指水中还原性物质被氧化降解的过程，主要包括硫化氢、枯枝落叶和生物尸体等有机物。生物消耗指的是植物、动物和微生物的各种呼吸作用。不同深度消耗氧气的主要物质不同，物理消耗一般发生在表层，生化耗氧比较普遍。在不同的水环境系统中，各耗氧过程对溶解氧消耗的贡献差异较大。有研究表明，养殖水体中，有机物的氧化分解占70%，生物的呼吸作用占15%，其次是大气的消耗和底泥的耗氧[8]；西西比河底泥耗氧占水体耗氧量的20%-30%，墨西哥湾北部约为30%-50%，珠江口的为60%-85%[9]，长江口的则为6%-61%[10]。溶解氧受温度、气压、水深、盐度、水动力和有机物含量等因素影响，在不同地区呈现出不同的溶解氧状况。表层水体溶解氧丰富，温度、气压、盐度等自然因素很大程度上决定了自然溶解氧浓度，在浮游植物和水动力作用下表层溶解氧会大大增加。温度和盐度等因素会导致水体分层，影响表层溶解氧向下的传输。深层水体的溶解氧来源减少，浓度主要受耗氧物质支配，在不同水深下主要耗氧不同，受水环境系统和人类活动影响较大。而目前在人类活动和气候变化影响下，溶解氧消耗过程增加，向下传输过程受阻，需要进一步研究溶解氧在水中的迁移转化机制和影响因素，通过控制人类污染活动减缓溶解氧降低趋势。1.2溶解氧的生态环境效应水中耗氧速率超过供氧速率，溶解氧浓度降低，当浓度低于2mg/L时水中大部分生物生存受到威胁，对水生生态系统产生致命影响并导致生态灾变的发生[3,11,19]。氧是生物生存生长所必须的元素，不同生物对氧气需求不同，水中溶解氧浓度下降，会加剧低氧敏感物种的减少甚至消失，导致物种多样性降低[20-21]。为适应低氧环境，许多物种的生理特征、行为、形态等会发生改变[17,20-26]。有研究表明，水体溶解氧降低使得鱼类个体变小，从而导致大海鲜的价格上升[20]。但当溶解氧处于过饱和状态时，鱼类会出现气泡病[27]。溶解氧能维持水体氧化状态，参与水中碳、氮、磷、微量金属和硫化物的生物地球化学循环[28]，是水体自净能力的重要组成部分。无机态氮磷会促进浮游植物生长产氧，但浮游植物生长周期较短，会产生大量残体消耗溶解氧；溶解氧降低会减弱硝化作用和厌氧氨氧化作用，导致去除氮的能力降低[11]，低氧还会促进底泥中磷的释放[29]，加快水体富营养化。当水环境中耗氧污染物增加，溶解氧降低导致水底呈现还原状态时，重金属等还原性污染物质会向上覆水释放，硫化物被还原产生硫化氢气体。溶解氧能维持生命健康，保障饮用水安全。通过溶解氧维持生命活动的重要经济鱼类，是人类的重要食物来源和沿海居民的主要经济来源。但不同地区气候、地理以及人为活动不同，溶解氧状态和产生的生态效应也不同。例如上海地区的泵站放江会导致溶解氧下降明显甚至导致黑臭，威胁水环境整体健康；而在一些大坝附近如三峡大坝，水体流速会随流量增大而增大，此时溶解氧会出现过饱和现象，容易导致鱼类气泡病发生[30]。因此，针对性分析不同地区溶解氧主要影响因素，才能更好维护主要水体功能。1.3水生生物对溶解氧的敏感度差异及其影响因素溶解氧基准是根据生物对溶解氧的敏感度制定的，不同种类物种、生命阶段、外界环境因素等都会影响生物对溶解氧的敏感度。不同于一般毒性物质，氧是好氧生物线粒体的电子传递系统所必需的，供氧不足会限制最大化代谢能力，从而影响生物的生长和生存能力。生物体对溶解氧的敏感度与其生理代谢过程密切相关，研究表明生物代谢旺盛阶段对氧气的需求量比较大，对溶解氧更为敏感。不同生物及其不同生命阶段，体内的生命结构不同，需氧量不同；不同外界环境刺激下，生物的代谢状况不同，需氧量不同。因此，从环境因素和生物学因素两方面介绍水生生物对溶解氧的敏感度差异。1.3.1环境因素在温度较低的地区，水中饱和溶解氧较高，冷水生物需氧量也较高。温度升高时，鱼在温水中为了得到与在冷水中等量的氧气，其鳃部就要过滤更多的高温水，就必须加快呼吸频率，使更多的温水通过腮部[39]。鱼是变温动物，体温随温度升高而升高，体内细胞酶活性增强，各种生理反应随着增强，对氧的需求量也增加[37,39]。适宜温度下，同一物种在高温下的耗氧率和窒息点较高[39-43]，但是当超出一定范围时窒息点随温度升高先上升后下降[44-48]。陈松波等认为高温产生热麻痹，严重扰乱和破坏了鱼的生理代谢，导致鱼类不仅仅是窒息而死。王晓光等[49]对雷氏七鳃鳗窒息点的研究表明，随着温度升高，窒息点先下降后上升，并认为在窒息点最低时,是其各种生理机能处于最佳、体质最强、抵抗力最强的状态。水生生物通过渗透调节适应不同盐度的环境，盐度调节过程是一个消耗能量的过程[38]。例如，生活在海水环境的凡纳滨对虾，经人工淡化驯养后在淡水中养殖，为适应淡水渗透压的改变，维持自身的渗透平衡，需要消耗更多能量，耗氧率增加[52]；大盐度组的南美白对虾对低氧的抵抗力要大于小盐度组的虾[53]。水流湍急的河流中溶氧更加丰富，并且湍急的水流会促使水生生物运动，使得生物需要更多的氧气。例如，李育森等[43]研究发现适应流水生活环境的乌原鲤和鲈鲤临界窒息点远高于喜平缓水流河段生活的麦穗鱼和四川裂腹鱼。1.3.2生物学因素不同水生生物及其生命阶段的生理结构和习性不同，从而导致物种间溶解氧敏感度的差异。例如美洲鲥昼夜都在不停游动，代谢旺盛，导致耗氧量较高[60]；食物充足的情况下，肉食动物耗氧量较大[35]，摄食后的体增热可能是主要原因[36]。目前研究普遍表明早期生命阶段的水生生物对溶解氧更敏感[41-42,47,49,54-55,58]。在胚胎和幼鱼阶段，体内组织和器官在迅速发育，新陈代谢较快，导致耗氧量相对较高；随着组织分化、器官形成已经完成，耗氧率相对降低[35,39]。除此之外，对剑尾鱼[56]、星洲红鱼[57]等水生生物的研究表明，这些鱼个体大时组织生理机能和代谢活动比个体小时更旺盛，需更多氧气维持，因此早期生命阶段耐低氧能力更强，溶解氧敏感度更低[55]。周立红等[59]对大眼幼体、欲变幼蟹和幼蟹三个阶段试验发现，大眼幼体和幼蟹阶段窒息点分别随着体重增加而减少，但是在欲变幼蟹阶段窒息点较高，这是因为变态期的河蟹幼体对环境因子变化比较敏感，耗氧量相对增多。水生生物对溶解氧的敏感度是由生物因素和环境因素共同作用的。例如，不同温度和生命阶段下，条石鲷对溶解氧敏感度随盐度变化不同[54]；雷氏七鳃鳗在不同生命阶段对溶解氧最敏感的温度不同[49]；叶尔羌高原鳅在不同温度下，生命阶段和溶解氧敏感度之间的关系发生变化[50-51]。各种各样的生态环境造就了生物的多样性，这是造成水生生物对溶解氧敏感度差异的主要原因；而在水生生物抵抗力最强的生命阶段和最适生存环境下，该物种对溶解氧的变化最不敏感。1.4需要进一步研究的工作为保持水生态系统的功能，制定溶解氧标准是防止水质退化和人类污染的重要举措。但我国地势复杂、气候多变，利用现有水质标准评价水体存在严重的欠保护和过保护的问题，影响区域公平性，现亟需制定符合我国国情的水环境溶解氧基准和标准，完善我国水质标准体系。但是目前我国水环境溶解氧的相关研究工作较少，水环境溶解氧标准是参考国外溶解氧基准和标准体系制定，缺乏系统的溶解氧基准研究工作。因此，需要探究我国水环境溶解氧时空分布规律，考虑自然环境和人为压力，分区域分析我国溶解氧实际水质状况，探索建立适合我国的溶解氧标准体系。关于溶解氧的影响因素和对生物的毒理效应课题已有一定研究，但是缺乏全国范围的溶解氧分布研究和生物毒性数据收集提炼。自然环境下的物理化学因素和生物活动并不是始终不变的，随着时间变化自然环境因子和生物对溶解氧敏感度都会改变。需要在综合分析物理化学和生物等环境要素对溶解氧影响的科学基础上，考虑社会经济水平和人类需求等实际因素，探索制定保护我国水生态的溶解氧标准。参考文献[1]QuJ,FanM.TheCurrentStateofWaterQualityandTechnologyDevelopmentforWaterPollutionControlinChina[J].CriticalReviewsInEnvironmentalScienceAndTechnology,2010,40(6):519-560.[2]ZhangL,XuEG,LiY,etal.Ecologicalrisksposedbyammonianitrogen(AN)andun-ionizedammonia(NH3)insevenmajorriversystemsofChina[J].Chemosphere,2018,202:136-144.[3]DiazRJ.Overviewofhypoxiaaroundtheworld[J].JournalOfEnvironmentalQuality,2001,30(2):275-281.[4]周莹.水生生物对水体溶解氧日变化规律影响[D].沈阳师范大学,2016.[5]张澎浪,孙承军.地表水体中藻类的生长对pH值及溶解氧含量的影响[J].中国环境监测,2004,20(4):49-50.[6]宋爽.冰封期乌梁素海光热特性及冰下水体初级生产力研究[D].内蒙古农业大学,2019.[7]JohnA.Definingloadinglimitsofstaticpondsforcatfishaquaculture[J].AquaculturalEngineering,2003,28:47-63.[8]马晓涛.ARIMA和RBF神经网络在水环境溶解氧预测中的应用研究[D].北京林业大学,2015.[9]YinK,LinZ,KeZ.TemporalandspatialdistributionofdissolvedoxygeninthePearlRiverEstuaryandadjacentcoastalwaters[J].ContinentalShelfResearch,2004,24(16):1935-1948.[10]CaiP,ShiX,MooreWS,etal.224Ra:228Thdisequilibriumincoastalsediments:Implicationsforsolutetransferacrossthesediment–waterinterface[J].GeochimicaetCosmochimicaActa,2014,125:68-84.[11]ConleyDJ,CarstensenJ,Vaquer-SunyerR,etal.Ecosystemthresholdswithhypoxia[J].Hydrobiologia,2009,629(1):21-29.[12]DiazRJ,RosenbergR.Spreadingdeadzonesandconsequencesformarineecosystems[J].Science,2008,321(5891):926-929.[13]JennyJP,FrancusP,Normande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