陈 俊,李大鹏,李 勇,黄 勇,袁 怡,李 祥 （苏州科技学院环境科学与工程学院,江苏 苏州 215009）

底泥扰动下藻类对不同形态磷在水体中分布的影响

陈 俊,李大鹏*,李 勇,黄 勇,袁 怡,李 祥 （苏州科技学院环境科学与工程学院,江苏 苏州 215009）

研究了反复扰动与藻类共存条件下,水体中溶解性磷、颗粒态磷、生物有效磷的分布规律,并分析了颗粒物质物理化学吸附与藻类生物利用对水体中磷消失的贡献率.结果表明,扰动抑制了水体中藻类生长,叶绿素 a增加量仅为 3.53μg/L（初始 30μg/L）和 4.80μg/L（初始120μg/L）,而无扰动下该值分别为21.36μg/L （初始30μg/L）和14.49μg/L （初始120μg/L）.并且,溶解氧水平和pH值均低于无扰动状态.扰动导致水体中总磷和颗粒态磷显著增加,但溶解性总磷（DTP）和溶解性磷酸盐（DIP）均有所降低.对于DTP而言,扰动状态下,颗粒物质吸附占90%,而无扰动下,则降低至60%,相应地,藻类生物利用则增加至40%.无论扰动与否,BAP基本处于稳定状态,而BAPP占BAP的百分比则有所增加.扰动状态下BAPP占PP的百分比明显低于无扰动状态.这暗示了扰动对水体中磷迁移和转化的作用大于藻.

扰动；藻类；磷；迁移和转化；太湖

内源磷的再生和形态转化对水体富营养化的进程起着极为重要的作用［1］,而 沉积物扰动是促使内源磷再生和形态转化的关键因素［2-4］.研究者分别从扰动强度、扰动频率、扰动持续时间、扰动次数等［5-8］对磷在泥水两相间的迁移转化作了深入探讨.扰动有利于上覆水中磷向沉积物迁移,并且进入上覆水中的悬浮物扮演着纽带和桥梁的作用［9-10］.

磷在泥水两相间的迁移转化除了受悬浮的颗粒物质影响外,藻类的吸收利用也会对其产生重要作用.Cyr等［11］认为,扰动下上覆水中磷的减少可归因于藻类等浮游植物对溶解性磷酸盐的吸收.汪明等［12］在对太湖梅粱湾的周年监测中发现,藻类的大量生长并未导致溶解性磷降低,相反却显著增加.这与Cyr等［11］研究有所不同,但这也暗示了在扰动与藻类共存条件下,磷的迁移规律更加复杂.实际上,扰动导致水体中颗粒物质增加,颗粒物质除了对水体中磷有吸附作用外,颗粒物质在扰动作用下可能对藻类产生摩擦作用而抑制藻类生长.但是,藻类因为与颗粒物质接触几率增加,在藻类“泵吸”作用下,也加快了颗粒态磷向溶解态磷的转化.因此,在扰动与藻类双重作用下,对水体中磷（颗粒态磷、溶解态磷）消失而言,究竟是颗粒物质的物理吸附作用占主要地位还是藻类的生物利用作用占主要地位,还有待进一步研究.因此,本研究采用反复扰动模式,探讨了在加藻条件下,水体中溶解态磷、颗粒态磷、生物有效磷在泥水两相间迁移及转化的变化规律,旨在为浅水湖泊磷的迁移转化提供数据支持和理论依据.

1　材料与方法

1.1沉积物与上覆水的采集

利用进口大口径柱状采样器（Rigo Co.直径110mm,高500mm）于2014年10月采集梅梁湾（N 31○31′33.6″, E 120○12′32.4″）沉积物,并现场切得表层 3cm的沉积物样品,装袋,立即用冰盒保存（4℃）送至实验室,同时采集采样点上覆水50L.将采集的沉积物过孔径为1mm的铁筛,对沉积物进行搅拌使其充分混匀,对上覆水和沉积物进行分析.沉积物和上覆水理化性质见表1.

表1　梅梁湾沉积物和上覆水的理化性质Table 1　physics-chemical properties of sediments and overlying water from Meiliang Bay

1.2试验方法

试验开始前,首先接种培养铜绿微囊藻,藻种购自中国科学院水生生物研究所,接种后每天振荡培养基,使藻类正常生长.培养2周后,从培养基取出部分培养好的藻进行饥饿培养,培养周期为1周.

选择 4个 1L玻璃容器作为实验装置（d=10cm, h=18cm）,分别标记为E1组和E2组,每组各2个玻璃容器.称取200g梅梁湾湿沉积物放入玻璃容器中,并取适量培养基中藻液以采集的上覆水稀释配成2组不同藻浓度的藻溶液,并小心沿容器壁加入该上覆水配制的藻溶液1L,使得E1和E2上覆水藻浓度分别为30,120μg/L.尽量小心避免沉积物悬浮.

试验周期为12h.采用机械搅拌机（RW20digital）对 E1沉积物进行反复扰动（60r/min）.每间隔3h扰动15min.早上8：00开始扰动,至晚上20：00试验结束. E2为对照试验,对上覆水和沉积物均不扰动.在每次扰动之前,分别采集E1和E2上覆水（液面下10cm处）,测定DO、pH值、叶绿素a、总磷（TP）、颗粒态磷（PP）、溶解性总磷（DTP）、溶解性正磷酸盐（DIP）、生物有效磷（BAP）.每次采集水样后,立即补充等量湖水.

1.3分析方法

TP：将水样采用过硫酸钾消解后钼锑抗分光光度法测定； DTP：将水样经过0.45μm滤膜过滤后的滤液消解后测定；DIP含量：将水样经过0.45μm滤膜过滤后直接测定；PP：TP与DTP差值.

BAP的分析测定选用Ellison［13-14］的方法.具体过程为：经过饥饿培养后的藻加入含有样品的培养基中,14d后,测定水中藻类的生长量,计算获得被藻类利用的DIP含量.每个样品有3个平行样,相对误差＜5%.藻类可利用磷（AAP）采用0.1mol/L NaOH溶液提取法进行测定.

上覆水中DO和pH值分别通过便携式溶解氧测定仪（美国HACH HQ30d）和数显 pH计（pHs-3TC,武汉）测定.

沉积物含水率的定义为 105℃条件下烘干12h的质量损失.沉积物烧失量为550℃灼烧5.5h的质量损失.

2　结果与讨论

2.1扰动下藻类的变化规律

由于扰动的存在,可能对藻类的生长产生抑制作用［15］,通过与无扰动对照,探讨了扰动对藻类生长的影响（图1）.

图1　扰动下上覆水中叶绿素a变化规律Fig.4　Variation of chlorophyll a in the overlying waterunder sediment disturbance

图1显示,扰动对藻类的生长有较大影响.无扰动下,加藻后,上覆水中叶绿素a含量明显高于扰动状态.扰动状态下,叶绿素a含量基本保持不变.叶绿素a最大含量分别达到33.53μg/L （初始浓度为 30μg/L）和 124.80μg/L （初始浓度为120μg/L）.试验过程中,叶绿素a平均仅为29.04μg/L （初始浓度为30μg/L）和118.44μg/L （初始浓度为 120μg/L）,明显低于无扰动状态（40.41μg/L和129.23μg/L）.无扰动状态下,叶绿素a有所增加.叶绿素a分别从30μg/L和120μg/L增加至51.36μg/L和134.49μg/L.其总增加量及单位增加量均显著高于扰动状态.说明扰动抑制了藻类生长.究其原因,颗粒物质摩擦、搅拌桨导致的藻类破坏,以及颗粒物质对入射光强的降低都可能造成藻类生长受限［16-17］.此外,颗粒物质对水体中磷的竞争性吸附也会限制藻类生长［15,18］.

2.2上覆水中DO和pH值的变化规律

图2　上覆水中DO和pH值变化规律Fig.4　Variation of DO and pH in the overlying water with and without disturbance

图2a显示,无扰动状态下,上覆水中DO含量明显高于扰动状态.无扰动状态下,DO含量与叶绿素a呈正相关关系.相反,扰动状态下,DO与叶绿素a成负相关关系.试验期间,叶绿素a初始浓度为0,DO含量基本保持不变；叶绿素a初始浓度越高,则 DO含量越高.DO平均值分别为6.96mg/L （30μg/L）和7.17mg/L （120μg/L）.扰动状态下,DO含量随时间逐渐降低.试验结束时,基本达到稳定状态.其中,DO的消耗速率分别为0.198mg/（L·h） （叶绿素a 30μg/L）和0.255mg/（L·h）（叶绿素a 120μg/L）.表明扰动过程中导致了部分藻类死亡.此外,扰动导致水体中颗粒物质含量增加,融入的溶解氧也会被中小分子有机物以及某些金属离子消耗,从而使得溶解氧浓度降低.

图2b显示,扰动状态下,pH值波动较小,基本处于稳定状态,而无扰动状态下,pH值略有波动.总体而言,叶绿素a初始浓度相同条件下,无扰动下pH值略高于扰动状态.但在9h时,pH值波动略大,根据无扰动状态下pH值的整体趋势,该值的测定可能有误,其水样可能受到了污染.

2.3对上覆水中磷含量的影响

图3a显示,扰动下上覆水中TP浓度高于无扰动,特别是试验后期（6～12h）.扰动状态下,藻类初始含量越高,则上覆水中TP含量也越高；上覆水中TP呈逐渐增加趋势,而无扰动下TP则呈逐渐降低趋势.TP的平均值分别稳定在 0.63mg/L（叶绿素a30μg/L）和1.20mg/L （叶绿素a120μg/L）.无扰动状态下,TP的平均值分别稳定在0.33mg/L（叶绿素a 30μg/L）和0.67mg/L （叶绿素a 120μg/L）.扰动下上覆水中TP含量增加主要源于沉积物中颗粒态磷的释放（图 3b）,而无扰动则有利于上覆水中颗粒物质的沉降,从而致使TP降低.

图3b显示,PP的变化规律与TP基本一致.因为PP是TP的主要组成部分.扰动下,PP占TP的90%（2种叶绿素 a试验平均值）,而无扰动下,仅为82%（2种叶绿素a试验平均值）.这也证实了无扰动有利于水体中颗粒物质的沉降,从而有利于降低水体中PP和TP含量.扰动下PP含量明显高于无扰动,扰动下PP平均值分别是无扰动下的2.36倍（叶绿素a 30μg/L）和1.97倍（叶绿素a 120μg/L）.

图3c显示, 无扰动下DTP均明显高于扰动状态.无论扰动与否,上覆水中 DTP均呈降低趋势,在试验的第6h达到稳定状态.扰动下,DTP分别稳定在 0.02mg/L （叶绿素 a 30μg/L）和0.01mg/L （叶绿素a 120μg/L）；无扰动下,DTP分别稳定在 0.05mg/L （叶绿素 a 30μg/L）和0.07mg/L （叶绿素a 120μg/L）.有藻类存在条件下,扰动加快了上覆水中DTP的降解.这种降解可归因于颗粒物质对磷的捕捉和吸附、藻类的生物利用［9,19-20］.将试验开始及结束时DTP含量对照,可以发现,扰动导致 DTP消失量最大,达到0.172mg/L （叶绿素a 120μg/L）,该值明显高于无扰动的0.77mg/L （叶绿素a 120μg/L）.在无扰动状态,上覆水中DTP的消失归因于颗粒物质对磷的吸附和藻类的生物利用,并假设在此过程中,通过释放或者转化从颗粒态磷转变为DTP的量为0,则可通过颗粒态磷的消失量来代替颗粒物质的沉降去除,计算可知,在叶绿素a初始浓度不同情况下,颗粒态磷的去除率分别为 58.80%（30μg/L）和 56.07%（120μg/L）.基于此,可以获得颗粒物质吸附对上覆水中DTP消失的贡献率,反之则为藻类生物利用对 DTP消失的贡献率,分别为41.20% （30μg/L）和43.97%（120μg/L）.结合图1中叶绿素a的增加量,分别为21.36μg/L （30μg/L）和14.49μg/L （120μg/L）.说明在无扰动状态下,颗粒物质对DTP吸附而导致DTP消失的贡献率略高于藻类生物吸附.这与House等［21］在研究细菌及颗粒物质吸附中所获得结果相似,其认为,在 24h之内,两者对磷的吸收能力相同,但24h之后前者对磷的生物利用能力急剧下降.

在扰动状态下,叶绿素a含量大部分时间低于初始状态,这说明扰动抑制了藻类生长.假如按照无扰动状态下藻类生长吸收的DTP量来估算,则可以获得扰动状态下藻类生长所吸收的磷量,分别为0.007mg/L（30μg/L）和0.014mg/L （120μg/ L）.因此,根据扰动状态下上覆水中 DTP的消失量可以计算因扰动而悬浮的颗粒物质对DTP的吸收量,分别为0.059mg/L（30μg/L）和 0.158mg/L （120μg/L）.扰动状态下,悬浮的颗粒物质是 DTP消失的主要贡献者,其所占百分比分别达到89%（30μg/L）和 92%（120μg/L）.扰动状态下颗粒物质对DTP的去除与无扰动状态下DTP的去除不同之处在于,前者主要是通过颗粒物质吸附,在扰动过程中将其转化成颗粒态磷,从而降低其被藻类利用可能性,因为,试验结束时,PP分别增加了2.17倍（30μg/L）和2.05倍（120μg/L）.这与无扰动状态完全不同.后者则主要是通过颗粒物质捕捉而沉降完成.因此,前者主要发生了迁移和形态转化,而后者仅发生了迁移.

对比图3d和图3c可以看出,DIP的变化趋势与DTP基本一致.扰动状态下DIP含量一直低于无扰动状态.试验后期（9～12h）,扰动状态下,DIP稳定在0.007mg/L （30μg/L）和0.005mg/L （120μg/L）,而无扰动状态下,DIP则分别为0.024mg/L （30μg/L）和0.054mg/L （120μg/L）.可以看出,扰动状态下DIP含量明显低于无扰动状态.其主要原因可归因于颗粒物质对 DIP的捕捉和吸附,将其转化成了PP（图3b）.沉积物中金属离子从还原态转变为氧化态［22］,中小分子量有机物被消耗殆尽,致使沉积物以无机物质为主要组成［23］,增加了颗粒物质与DIP的接触几率［24-25］,这均是扰动有利于 DIP被颗粒物质吸附去除的主要原因.图2a中DO含量明显低于无扰动状态也暗示了上述机制的发生.这也说明,无扰动状态下,DIP的去除主要以藻类生物利用为主.

由于扰动过程中藻类的加入,可能导致溶解性有机磷（DOP）发生变化.数据分析发现,在扰动状态下,上覆水中 DOP一直处于较低水平, 0.018mg/L （30μg/L）和0.011mg/L （120μg/L）；而无扰动状态下,DOP则一直处于较高水平, 0.032mg/L （30μg/L）和0.022mg/L （120μg/L）.分析其原因,扰动状态下DOP转化速度加快是主要原因.此外,藻类生长受到限制也是一个重要原因.尽管DOP被转化成DIP的速率加快（扰动状态下）,但 DIP被颗粒物质捕捉的速率也在加快,这在 DIP占 DTP百分比中可以体现.扰动状态下,DIP占DTP百分比分别为54.85%（30μg/L）和69.03%（120μg/L）,而无扰动状态下,该值则分别为59.33%（30μg/L）和78.39%（120μg/L）.

图3　上覆水中不同形态磷随时间的变化规律Fig.4　Variation of different phosphorus forms in the overlying water

从图3c和图3d以及计算中可以看出,尽管有藻类加入,但溶解性磷（DTP和DIP）的去除机制仍然是颗粒物质对磷的捕捉和吸附,尤其是在扰动状态下,颗粒物质悬浮会加快这一进程.但是,这与Cyr等［11］对扰动状态下上覆水中DIP消失的推测不同,因为其将DIP的消失归结为藻类等浮游植物的生物利用.但值得指出的是,Cyr等［11］研究是基于浅水湖泊的,其扰动强度可能低于本研究,即其研究过程中,颗粒物质悬浮并不影响藻类生长,而本研究中扰动已经限制了藻类生长.因此,有必要从进一步降低扰动强度的角度来探讨扰动与藻类共存条件下DIP的消失机制.

2.4水体中生物有效磷变化规律

生物有效磷（BAP）由溶解性总磷（DTP）和可被生物利用颗粒态磷（BAPP）组成［26-27］.扰动会改变水体中DTP数量分布（图3c）,同时也会改变水体中PP含量,并通过改变水体中DO（图2a）、pH值（图2b）,进而改变颗粒物质上不同形态磷数量分布,从而改变BAPP含量,使得水体中BAP分布规律发生变化（图4）.

图4　上覆水中BAP和BAPP随时间的变化规律Fig.4　Variation of BAP and BAPP in the overlying water

图4a显示,无论扰动与否,上覆水中BAP均呈现一定的波动.在叶绿素a较低条件下（30μg/L）,扰动下 BAP含量（0.077mg/L）低于无扰动状态（0.125mg/L）.然而,在叶绿素 a较高条件下（120μg/L）,扰动下BAP（0.279mg/L）略高于无扰动状态（0.250mg/L）.对比图 3c,扰动及无扰动下DTP一直处于降低趋势.但是,DTP的变化趋势并未影响BAP的变化趋势.这主要与DTP在BAP中所占比例发生变化有关.试验期间,扰动下DTP 占BAP百分比分别从96.67%（30μg/L）和90.89% （120μg/L）降 至23.14%（30μg/L）和4.18% （120μg/L）.无扰动下,该值则从90.84%（30μg/L）和76.17%（120μg/L）降至26.69%（30μg/L）和18.72%（120μg/L）.这也暗示了,尽管水体中 DTP降低,但由于在藻类生物作用下,颗粒态磷中的部分向可被生物利用态磷发生了转化［28-30］,从而弥补了水体中消失的DTP量,使得水体中BAP浓度得以维持.因此,从图 4b可见,BAPP呈逐渐增加的趋势.并且,BAPP在BAP中所占百分比也逐渐增加.

在扰动下BAPP占BAP均高于无扰动.扰动状态下,BAPP占 BAP的百分比分别为54.61%（30μg/L）和 89.95%（120μg/L）,而无扰动状态下, BAPP占 BAP分别为29.99%（30μg/L）和66.01% （120μg/L）.这说明扰动在BAPP转化过程中起到了决定性作用.而BAPP所占比例越高,则预示着水体富营养化程度越有利于控制.

BAPP的形成与颗粒物质上不同形态磷数量分布密切相关［13］.研究表明,扰动可以显著改变颗粒物质上不同形态磷数量分布,进而改变BAPP的形成进程,这种改变更多的是延缓了BAPP的形成［31］.BAPP在PP中的百分比证实了这一点.扰动状态下,BAPP在PP中的比例从初始状态的0.92%（30μg/L）和4.41%（120μg/L）增加至6.49%（30μg/L）和 20.19% （120μg/L）,无扰动状态下,BAPP在PP中的比例一直处于增加趋势,从初始状态的2.52%（30μg/L）和4.69%（120μg/L）增加至88.06%（30μg/L）和70.62%（120μg/L）.这主要是因为扰动导致水体中溶解性磷与颗粒物质之间接触和碰撞几率增加,使得溶解性磷向颗粒态磷转化进程被加快,改变了颗粒物质上不同形态磷的分布,致使BAPP的形成被改变.在无扰动作用下,溶解性磷与颗粒物质间接触几率减少,使得溶解性磷转化成颗粒态磷的可能性降低.并且,在藻类生物作用下加快了颗粒态磷活化,转化成可被生物利用态磷,以维持水体中 BAP含量.但是在扰动状态下,藻类生长受到抑制,导致BAPP形成过程中缺少了生物作用.由此可见,在扰动与藻类共存条件下,扰动在磷迁移及转化过程中扮演着更为重要的作用,而这种作用更多的是通过物理化学吸附而降低水体中可被生物利用态磷含量.

3　结论

3.1扰动导致水体中 TP和 PP含量显著增加,并高于无扰动状态.扰动与否均导致水体中DTP 和DIP出现明显降低.无扰动状态下,颗粒物质吸附和藻类生物利用对DTP消失的贡献率分别为60%和40%,而扰动状态下,颗粒物质吸附对DTP消失的贡献率起决定性作用,占90%.

3.2由于藻类存在,使得水体中 BAP含量得以维持,扰动显著影响了 BAPP的形成.扰动导致BAPP在PP中的比例远低于无扰动状态.

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Distribution of different phosphorus forms in the overlying water under sediment disturbance with algae.

CHEN Jun, LI Da-peng*, LI Yong, HUANG Yong, YUAN Yi, LI Xiang （School of Environmental Science and Engineering, University of Science and Technology of Suzhou, Suzhou 215009, China）.

China Environmental Science, 2015,35（9）：2787-2793

Distribution of dissolved phosphorus （P）, particulate P （PP） and biavailable P （BAP） was investigated in the overlying water under sediment disturbance with algae. In addition, the contribution to P disappearance by particulate matter adsorption and algae uptake was investigated. The results show that sediment disturbance handled the algae growth and the concentration of chlorophyll a increased by 3.53 μg/L （initial chlorophyll a 30 μg/L） and 4.80 μg/L （initial chlorophyll a 120 μg/L）. But, the value increased by 21.36 μg/L （initial chlorophyll a 30 μg/L） and 14.49 μg/L （initial chlorophyll a 120 μg/L） without disturbance. Accordingly, the concentration of dissolved oxygen and pH value with disturbance was lightly higher than that without disturbance. Under sediment disturbance, total P and PP increased, while dissolved total P （DTP） and dissolved inorganic P （DIP） decreased. The degradation was attributed to the particulate matter adsorption and algae uptake. The contribution of particulate matter adsorption is up to 90% under sediment disturbance. On the contrary, the contribution decreased to 60% without disturbance, but the algae uptake increased to 40%. The concentration of BAP stabilized in the experiment with and without disturbance, but the percentage of bioavailable particulate P （BAPP） increased. The percentage of BAPP to PP with disturbance is lower than that without disturbance. It is suggested that the contribution of P migration and transformation by particulate matter adsorption is more important, compared with algae uptake.

disturbance；algae；phosphorus；migration and transformation；Tai Lake

X131.2

A

1000-6923（2015）09-2787-07

2015-01-30

国家自然科学基金项目（51178284,51278523）；江苏省第四期”333”工程项目；江苏省”六大人才高峰”项目（2013-JNHB-022）；江苏省特色优势学科二期立项项目

*责任作者, 副教授, ustsldp@163.com

陈 俊（1991-）,男,江西抚州人,苏州科技学院硕士研究生,主要研究方向为水体修复.