卢　信，刘　成，尹洪斌，范成新

(1：江苏省农业科学院，南京 210014)

(2：中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京 210008)

(3：中国科学院大学，北京 100049)

生源性湖泛水体主要含硫致臭物及其产生机制*

卢信1，2，刘成2，3，尹洪斌2，范成新2**

(1：江苏省农业科学院，南京 210014)

(2：中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，南京 210008)

(3：中国科学院大学，北京 100049)

摘要：由水生生物残体诱发的湖泛发生过程中水体高浓度的含硫致臭物质对水生态安全以及人类健康造成严重危害，这些致臭物质的来源途径及其产生机制至今尚无详细报道.通过使用藻类、浮游动物、鱼类、底栖动物以及水生植物等多种生物残体进行了模拟实验，结果发现各类生物残体均能导致湖泛的发生，其中藻类残体中含有的大量含硫氨基酸导致水体挥发性有机硫化物浓度升高尤为突出.使用蛋氨酸作为前驱物质进行模拟实验发现，影响蛋氨酸降解的非生物因素主要为光照和厌氧条件，其中光照的影响更大.对蛋氨酸降解率与铵态氮浓度变化的关系进行研究后发现，无论有无生物作用二者均有显著的相关性，表明蛋氨酸降解的第一步应为发生脱氨基作用.对α-羟丁酸、α-酮丁酸和4-甲硫基-2-氧代丁酸等中间产物在体系中的变化进行研究后发现，4-甲硫基-2-氧代丁酸在体系中很难积累，而α-羟丁酸和α-酮丁酸则有较明显的累积过程，说明脱甲硫基作用可能在脱氨基作用后很短时间内发生，或二者同时发生，由此产生甲硫醇，甲硫醇再通过各种途径转化为二甲基硫醚、二甲基二硫醚、二甲基三硫醚以及硫化氢等.

关键词：湖泛；含硫氨基酸；蛋氨酸；挥发性硫化物；脱氨基作用；太湖；贡湖湾

*中国科学院南京地理与湖泊研究所“一三五”战略发展规划项目(NIGLAS2012135008)和江苏省太湖水污染治理专项(TH2013214)联合资助.2015-01-14收稿；2015-04-13收修改稿.卢信(1978~)，女，博士，助理研究员；E-mail：lxdeng@126.com.

湖泛是近二十年来常见于我国浅水湖泊的一种极端水环境问题[1-4]，在我国太湖、巢湖等重要湖泊中均曾有发现.2007年，由于湖泛造成自来水变色发臭，导致无锡市居民饮用水安全受到严重威胁，也使得湖泛问题成为政府、学界及公众关注的焦点[2，5].

湖泛发生时水体通常呈现的共同特征有[6-8]：极低的溶解氧(DO)浓度(接近于0 mg/L)、极低的氧化还原电位(Eh)、较低的pH值、高营养盐负荷以及水体发黑发臭等.对于水体发黑的主要原因，研究者[9-10]认为金属硫化物(主要为铁硫化物，如FeS等)在上覆水体中的累积导致水体颜色逐渐变深并最终发黑.湖泛发生前通常会经历DO和Eh的迅速降低，在这一过程中，Fe2+和ΣH2S在沉积物-水界面处迅速累积并形成FeS等致黑物质[6]，因此湖泛发生过程中水体通常自下而上逐渐变黑，这一过程短则数小时，长则数天.水体变黑通常是判断湖泛发生的主要标志，而水体发臭难以去除可能对饮用水安全造成更大的威胁.

已有对野外水体湖泛发生过程中致臭物质的研究表明，无论是藻源性[2]还是草源性[7]湖泛，主要致臭物质可能为嗅味物质，包括土腥素(Geosmin)、二甲基异莰醇(MIB)和2-甲氧基-3-异丁基吡嗪(IBMP等)，及挥发性硫化物(volatile sulfur compounds，VSCs)，包括硫化氢(H2S)、二甲基硫醚(dimethyl sulfide，DMS)、二甲基二硫醚(dimethyl disulfide，DMDS)、二甲基三硫醚(dimethyl trisulfide，DMTS)和甲硫醇(methanethiol，MTL)等，其中尤以MTL、DMS、DMDS和DMTS等挥发性有机硫化物(VOSCs)为主.然而，这些致臭物质的主要来源及其产生机制至今仍无较为详尽的报道.前期研究[11]已表明，有机质对水体发黑具有重要诱导作用，然而，只有含硫有机物才具有致臭作用，且含硫氨基酸为湖泛发生过程中VOSCs的主要前驱物质.由于许多水生生物体内都含有一定量的含硫氨基酸，而湖泛发生时VOSCs的前驱物含硫氨基酸是否来源于这些水生生物，又是通过怎样的途径进行转化，至今尚未见报道.因此，本文在野外湖泛监测采样的基础上，研究了不同水生生物诱导下湖泛的发生情况，并以蛋氨酸为前驱物质，通过设置不同的降解体系探讨含硫氨基酸代谢产生VOSCs的可能途径，以期进一步揭示生源性湖泛发生过程中水体主要致臭物的产生机制.

1 材料与方法

1.1 野外湖泛监测与采样

1.2 模拟实验采样点及样品采集

采样点选择在太湖月亮湾水域(31°24′35.8″N，120°6′4.6″E)，其水域面积为10.51 km2，位于太湖北部梅梁湾与竺山湾间，是太湖典型的蓝藻堆积区域和湖泛易发区域.使用柱状采样器(φ90mm × 500mm)在该区域采集无扰动柱状样品，同时采集上覆水用于室内模拟实验.

1.3 实验设计

1.3.1 生源性湖泛模拟由于生物残体中含有大量含硫氨基酸，因此，为了验证生源性湖泛发生过程中致臭物质的产生与生物残体的关系，在室内使用Y型沉积物再悬浮发生装置[12]模拟多种生物堆积下湖泛的发生情况.主要实验组有：未添加生物残体的对照组、添加5000g/m2太湖鲜藻组、添加1000g/m2大型浮游动物残体组(主要是枝角类和桡足类，使用13#浮游生物网，以“8”字型从水体中捞取)、添加5000g/m2底栖动物残体组(将去壳后的河蚬残体剪碎加入)、添加5000g/m2鱼类残体组(将太湖梅鲚鱼残体捣碎后加入)以及添加5000g/m2水生植物残体组(将太湖菹草剪碎后加入).温度设置为28℃，水深为1.8 m，接近太湖平均水深[13].观察湖泛是否发生并检测湖泛发生时水体中致臭物质浓度.

1.3.2 非生物因素对蛋氨酸降解生成致臭物的影响将表层0~6cm原位沉积物充分混匀后称取600g放入具有气密性的密闭反应系统中(图1)[11]，将原位采集的湖水过滤去除悬浮颗粒物之后配制成1.0g/L的蛋氨酸溶液，于121℃下灭菌40min后加入上述反应系统中.共设置3个处理：好氧(DO> 6 mg/L)光照、厌氧(DO <0 mg/L)光照和厌氧避光，定时取水样测定VOSCs浓度，以研究氧气与光照等非生物因素对含硫氨基酸降解生成VOSCs的影响.

图1 密闭反应系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the airtight reaction system

1.3.3 不同降解体系中含硫氨基酸的降解过程 向反应系统中加入不同溶液设置5个实验组：对照，高温高压灭菌(121℃灭菌60min)，添加2.0mmol/L钨酸钠作为硫酸盐还原菌(SRB)抑制剂，添加5.0mmol/L溴乙基磺酸钠(BES)作为产甲烷菌抑制剂，添加50ml SRB118菌液[14].

1.4 样品分析

蛋氨酸采用亚硝基铁氰化钾-可见分光光度法测定[16]；水样中挥发性硫化物分析由顶空固相微萃取(HS-SPME)预浓缩系统和Agilent 7890A/5973N GC-MS(安捷伦公司，美国)系统组合完成；气体样品的分析使用气相色谱-火焰光度检测器Agilent 7890A GC-FPD完成，测试方法及条件详见文献[11].

蛋氨酸代谢中间产物采用Agilent 1200 HPLC测定，仪器配置及方法如下：检测器为二极管阵列检测器(DAD)，色谱柱采用Agilent Eclipse XDB-C18 (固定相液膜厚度5 μm，内径4.6mm×长度150mm)，配自动进样器.以0.02mol/L的KH2PO4缓冲盐水溶液(A相)和乙腈为流动相(B相)，采用梯度洗脱的方式由初始比例A∶B为95∶5经15min洗脱至A∶B为80∶20，恒定流速为1ml/min，检测波长为215 nm，柱温为30℃，进样量为20 μl.

2 结果与讨论

2.1 湖泛易发水域主要致臭物及水体基本理化参数

从野外采集的实际样品看，太湖贡湖湾3个采样点水体中的Geosmin、MIB和DMTS是主要致臭物质，其分布具有一定的季节变化规律，在蓝藻暴发初期其浓度处于一个相对较低的水平，而在蓝藻暴发中后期部分蓝藻处于衰亡阶段时，其浓度则相对较高(图2).

图2 太湖贡湖湾3个采样点主要致臭物浓度的季节变化Fig.2 Seasonal changes of the main odorous substances concentrations of the three sampling sites in Gonghu Bay of Lake Taihu

从各监测点位检测到的致臭物浓度变化范围来看，与Yang等[2]在2007年的测定值有较大偏差，其在贡湖湾水体中测得的主要致臭物为DMTS，浓度最高可达11399 ng/L，而在本研究中Geosmin、MIB和DMTS均为野外样品主要致臭物质，其中DMTS浓度最大只有10.1 ng/L，如此大的偏差反映出两者之间的形成机制存在显著差别. Yang等[2]推断在2007年水危机中的高浓度DMTS是由未知的大型污水团造成的，不排除外来污染的因素.而本研究中的DMTS则有可能只是蓝藻暴发后在局部小区域造成厌氧，从而引起局部小区域蓝藻逆境生长甚至死亡.由于蓝藻细胞自身含有大量的Geosmin和MIB，在蓝藻暴发死亡的初期，藻细胞在极度厌氧条件下死亡破裂后其胞内嗅味物质会大量进入水溶液，造成溶解性嗅味物质浓度升高[17]；随着藻体进一步降解，其中所含的含硫氨基酸发生分解产生挥发性硫化物，但由于小分子的挥发性硫化物(如H2S、MTL、DMS和DMDS)的饱和蒸汽压较大，挥发性比较强，野外采样难以捕捉到，因此只有挥发性低的DMTS检出.由于太湖是一个大型开放水体，因此小区域内各种化学或生物过程同时并存，各阶段的产物也因此混合在一起.

各监测点位水体基本理化性质和主要营养盐参数的季节变化见表1.监测区域中的TP、TN以及其它水体参数(如pH、Eh、DO以及Chl.a等)与往年太湖水体中的浓度[3-4]并无太多差异，维持在一个正常的水平.

表1 太湖贡湖湾水体基本理化性质和营养盐浓度变化

表2 太湖贡湖湾水体主要异味物质与基本理化参数的相关性

*表示显著相关，P<0.05； **表示极显著相关，P<0.01.

2.2 不同生物残体对湖泛发生及致臭物质产生的影响

前期研究[11]已表明，有机质对水体发黑具有重要诱导作用，然而，只有含硫有机物才具有致臭作用，且含硫氨基酸为湖泛发生过程中VOSCs的主要前驱物质.由于许多水生生物体内都含有一定量的含硫氨基酸，而湖泛发生时VOSCs的前驱物含硫氨基酸是否来源于这些水生生物，又是通过怎样的途径转化，至今尚未见报道.本研究发现，添加不同生物残体后，水体均发生不同程度的湖泛.各实验组水体中均检出DMS、DMDS和DMTS等主要湖泛致臭物质，且均超出各物质的嗅阈值(DMS、DMDS和DMTS的嗅阈值分别为2.5、0.1和10 ng/L)[18].可见，生源性湖泛发生过程中VOSCs的产生与水生生物有着重要关联.添加藻类时产生的VOSCs浓度相对高于其他实验组(图3).其原因一方面是藻类代谢过程中会产生VOSCs[19-20]，另一方面是太湖蓝藻中含硫氨基酸浓度较高[21]，因而藻类死亡降解过程中也会产生大量的VOSCs.虽然底栖动物及水生植物残体产生的一些硫化物浓度也较高，但与蓝藻相比，这些生物在湖泊水体中大量聚集并死亡的概率极小，因此可以推断藻源性湖泛是太湖最为常见的一种湖泛，藻体中大量的含硫氨基酸导致湖泛发生时水体VOSCs浓度激增[2].

图3 不同生源湖泛发生时水体致臭物浓度Fig.3 Concentrations of odorous compounds during the black blooms induced by various organisms

2.3 非生物因素对含硫氨基酸降解的影响

在生源性湖泛发生过程中，氧气、光照等非生物因素均可能对含硫氨基酸降解为VOSCs的过程产生影响.不同氧气及光照条件下蛋氨酸降解生成VOSCs，其浓度随时间变化情况(图4)表明，厌氧及光照均能促进蛋氨酸非生物降解生成VOSCs，其中DMDS与MTL为非生物降解产生的主要VOSCs组分，也有少量DMTS和DMS产生，但并未检测到H2S.同为光照条件下，厌氧分解产生的DMDS和MTL为好氧分解的2~3倍，而同为厌氧条件下，光照产生的DMDS和MTL最高浓度分别为6.78和6.44 μg/L，比避光条件下DMDS(1.32μg/L)和MTL(0.53μg/L)浓度高5~10倍左右.可见，在蛋氨酸非生物降解过程中，光降解是非常重要的一个因素，厌氧也是促使蛋氨酸降解转化为VOSCs的重要原因之一，但光照条件的影响大于氧气条件的影响.

图4 氧气及光照条件对蛋氨酸非生物降解生成VOSCs的影响Fig.4 The production of VOSCs from methionine degradation influenced by oxygen and illumination conditions

2.4 不同降解体系中含硫氨基酸的降解过程

图5 不同蛋氨酸降解体系中-N浓度变化Fig.5 Variations of -N concentrations under different methionine degradation treatments

图6 不同处理组中-N浓度与蛋氨酸降解率的相关关系Fig.6 Correlations between -N concentration and methionine degradation rate under different treatments

2.5 含硫氨基酸代谢产生致臭物的可能途径分析

图7 蛋氨酸降解主要中间产物浓度变化Fig.7 Dynamics of three intermediates concentration during the metabolism of methionine

根据本文的研究结果以及前期的一些研究[11，22]，推测蛋氨酸降解生成VOSCs的可能途径如图8所示.

图8 蛋氨酸降解为VOSCs的可能途径Fig.8 Proposed pathways of the catabolism of methionine to VOSCs

3 结论

在室内模拟条件下对生源性湖泛发生过程中水体含硫致臭物产生情况以及含硫氨基酸转化为VOSCs的机制进行研究，主要结论如下：

1) 各类水生生物残体均能诱导湖泛的发生，其中，藻源性湖泛发生时水体中VOSCs浓度升高尤为突出，藻类代谢以及藻体中含有的大量含硫氨基酸可能是这一现象发生的主要原因.

2) 在含硫氨基酸降解产生VOSCs的过程中，光照和厌氧条件能有效促进降解的进行，其中光照的作用尤为突出.

4) KMBA在含硫氨基酸降解体系中难以累积，而α-羟丁酸和α-酮丁酸则有较明显的累积过程，表明脱氨基作用发生后可能很快即会发生脱甲硫基作用，且二者有可能同时发生，由这两种反应生成MTL，随后再生成DMS、DMDS、DMTS和H2S等.

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©2015 byJournalofLakeSciences

The main sulfur-containing odorous compounds and their forming mechanisms in waters during bio-induced black bloom

LU Xin1，2， LIU Cheng2，3， YIN Hongbin2& FAN Chengxin2

(1：JiangsuAcademyofAgriculturalSciences，Nanjing210014，P.R.China)

(2：StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment，NanjingInstituteofGeographyandLimnology，ChineseAcademyofSciences，Nanjing210008，P.R.China)

(3：UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，P.R.China)

Abstract：High levels of sulfur-containing odorous compounds can always be detected in waters during black bloom induced by aquatic debris. These contaminants are great threatens to water ecological security and human health. However， detailed reports focused on the sources and forming mechanisms of these odorous compounds were seldom seen. In this study， various aquatic debris like algae， zooplankton， fishes， benthic fauna and aquatic plants were used to simulate the occurrence of black bloom. Results showed that black bloom can be triggered by all of these aquatic debris. The highest levels of volatile organic sulfur compounds were detected in the added-algae treatments because of the high content of sulfur-containing amino acids in algae. Methionine was used as precursor of VOSCs during the experiment. Illumination and anaerobic conditions， especially illumination， were found to be more favorable for the degradation of methionine. Significant correlations were found between the degradation rate of methionine and the ammonium nitrogen levels， demonstrating that the first step of methionine degradation was deamination. The variations of several intermediate products (α-hydroxybutyric acid， α-oxobutyric acid and 4-methylthio-2-oxobutyric acid (KMBA)) in the degradation system were studied. The accumulation of KMBA was quite low compared to that of α-hydroxybutyric acid and α-oxobutyric acid. These results demonstrated that the demethylthio reaction happened with a short period of time after deamination. Or maybe these two reactions happened at the same time. Methanethiol was generated during this period and then transformed to dimethyl sulfide, dimethyl disulfide, dimethyl trisulfide and H2S through a variety of ways.

Keywords：Black bloom； sulfur-containing amino acids； methionine； volatile sulfur compounds； deamination； Lake Taihu； Gonghu Bay

通信作者**； E-mail： cxfan@niglas.ac.cn.

DOI10.18307/2015.0404