水-沉积物界面微小生物对湖泊沉积物磷释放的影响

973第四课题（973-3）阶段报告（湖泊水－沉积物界面过程对营养物迁移转化影响研究）中国环境科学研究院中科院水生生物研究所2003年9月22日汇报内容•课题任务与研究内容•本阶段已完成的工作总结•2003年下半年工作计划•发表论文和出版书籍的计划一、课题任务与研究内容水-沉积物界面的物理化学过程对营养物在该界面的迁移转化直接湖泊上覆水体的营养元素的形态和含量，影响湖泊富营养化和水华暴发。该项内容重点针对浅水湖泊易受风力扰动且垂直交换频繁等特点，采用室内模拟与现场模拟的方法，开展水－沉积物界面主要生源要素交换过程的研究，揭示我国浅水湖泊污染沉积物对上覆水质的影响机理。研究内容设置如下：（1）浅水湖上覆水、悬移质、沉积物和孔隙水中的主要生源要素及其界面行为；（2）影响浅水湖生源要素界面行为的主要因子与过程（理化因子、水动力过程等）；（3）对湖泊水质产生影响的主要生源要素界面交换关键参数（物理、化学以及生物学参数）及其阈值。1．湖泊水－沉积物界面物质交换过程及其水动力影响机制在水-沉积物界面及其附近发生着湖泊水环境系统最剧烈的生源要素（N、P等）的生物地球化学循环，并控制着它们在上覆水体和沉积物之间的物质平衡、形态转化和沉积剖面分布。沉积物-水界面的氧化还原作用、扩散作用和微生物活动是界面关键的地球化学过程。本项研究重点针对富营养化浅水湖泊内源负荷极高、生源要素的形态各异且转化过程错综复杂等特点，同时着眼于水－沉积物－微生物等不同介质，以地球化学和微界面方法，开展以化学过程为特征的生源要素的赋存形态、平衡关系、迁移转换规律及其对湖泊富营养化的影响研究，研究内容设置如下：（1）跨介质间（水/沉积物/微生物）营养物（N、P、C等）的热力学平衡、时空变化与地球化学机制；（2）水-沉积物界面，营养物（N、P、C等）的动态赋存及其形态转化、污染物释放与迁移影响；（3）生源要素生物地球化学循环对湖泊富营养化的影响2．湖泊水－沉积物界面地球化学过程对湖泊富营养化的影响水-沉积物界面生活大量的底栖微小生物，它们不仅通过对水体营养物的吸收代谢和生物扰动作用影响着这些营养物在该界面的形态转化和分布，而且它们在该界面种类和数量的分布也与湖泊水体富营养化程度密切相关。该研究针对我国长江流域富营养化浅水湖泊，采用室内模拟与现场原位观测采样的方法，开展主要生源要素的水-沉积物界面过程对界面微生态及其湖泊蓝藻水华暴发的影响。研究内容设置如下：（1）典型浅水湖泊底质界面微生态结构调查研究；（2）典型水-沉积物界面微生态结构维持机制；（3）主要生源要素在水-沉积物界面的生物再循环，磷的形态转化与富营养化及蓝藻水华形成关系。3．湖泊营养物的微生态转换过程及生化动力学营养物在湖泊沉积物-水界面间的迁移和交换是一个十分复杂的生物化学过程，直接影响湖泊中营养元素的生物有效性，影响湖泊富营养化程度。就目前的研究发现，硝化和反硝化作用是沉积物-水界面氮迁移和交换的主要形式；而沉积物中的磷则可能通过有机质的矿化分解、铁氧化物解吸作用和沉积物扰动三种形式向水体释放。但影响该界面过程的具体机制和限制因素仍有待进一步研究确定。为了进一步弄清影响重污染湖区水-沉积物界面过程释放的各形态营养元素生物有效性的限制因素，将重点针对浅水湖泊重污染水体，采用室内模拟和野外原位采样的方法，开展营养元素生物有效性的限制因素和转化作用的研究。研究内容设置如下：（1）重污染湖区主要营养元素的特定形态及生物可利用性；（2）重污染湖区主要营养元素生物可利用性的限制因子；（3）重污染湖区理化条件对生物代谢过程的影响。4．重污染湖区营养元素生物有效性的限制因素和转化作用3．湖泊营养物的微生态转换过程及生化动力学（中国环科院）上半年工作进展•野外调查：确定典型的不同营养水平下的浅水湖泊水－沉积物界面的微生态结构；•室内实验：水－沉积物界面微小生物对湖泊沉积物磷释放的影响•开展太湖沉积物样品的理化性质与形态研究典型浅水湖泊底质界面微生态结构调查•观测场的确定：轻微富营养化湖泊：贡湖；超富营养化湖泊：梅梁湖。•观测对象：底栖生物、微生物•观测频率：每三个月采样一次。•观测点理化性质分析和测定：透明度、水深、水温、照度、Eh、Do、PHTN、TP、TDP、DP等野外调查水－沉积物界面微小生物对湖泊沉积物磷释放的影响实验目的•通过实验室中的柱状模拟体系，定量计算出湖泊沉积物中磷从沉积物界面向上覆水体的释放量和释放速度；•结合实验初始时对实验用泥总磷和各形态磷含量的对比分析，掌握总磷和各形态磷在土柱中（沉积物和间隙水）的分布和释放规律；•通过有无微小生物存在的对比研究，了解和掌握底栖微小生物和微生物对以上各过程中磷释放的影响；室内实验底泥采样点确定及其理化性质采样地点：梅梁湖犊山大闸入湖口，巢湖马尾河口采样点理化性质：水深：70cm透明度：45cmPH：7.74DO：水下0.7米处1.7mg/l水温：31.2℃Eh：水下70cm处209.8mv照度：水面5.10×104lux，水下70cm处1100-1200lux室内实验底泥样品的描述样品采集：用彼得逊采泥器取2袋表层混合泥样，样品均用冰块冷藏，实验室内40C保鲜保存。底泥特征：底泥无明显分层，均呈黑色，表层有一薄层黄沙，有恶臭味，肉眼未见生物，手感为淤泥。室内实验水样采样点的确定•选取轻微富营养化湖泊水体：贡湖和苏州木渎东太湖3号桥附近•采样点理化性质：贡湖：水深:180cm水温:34℃透明度:10cmPH:9.14DO:水下0.5米处8.0mg/lEh:水下70cm处158.7mv照度:水面7.60×104lux，－0.5m为180-200lux苏州木渎东太湖：水深:240cm透明度:55cmPH:8.73水温:30.9℃DO:水下0.7m处8.25mg/l；泥-水界面处8.19Eh:水下70cm处196.6mv，－1m处200.7mv照度:水面1.860×103，泥-水界面13.1lux室内实验磷释放模拟实验过程将两组别为未经处理和经过灭菌处理的底泥置于采样柱中，上覆水经过0.45µm的微孔滤膜过滤，泥深为12cm，水深为40cm。每天定时通气4h左右。采样前卸掉采样柱上部面塞，抽取25ml上覆水。将抽取的水样用0.45µm滤膜过滤，测量滤液中溶解性磷酸盐的含量。取水后的泥柱重新补充等量的经过0.45μm孔径的滤膜过滤处理过的湖水。每24h采集水样一次，实验维持30天。同时，每天测量pH、Do和泥水界面氧化还原电位一次天测量温度3次（早午晚）。室内实验实验结果分析底泥含水量、总磷的测定底泥含水量：76.07％总磷含量的测定：3276.713mg/kg（湿样）2600.424mg/kg（干样）间隙水中总溶解性磷和溶解性磷酸盐的测定总溶解性磷：0.596mg/l溶解性磷酸盐：0.128mg/l室内实验实验结果分析实验用水样的总磷、总溶解磷和溶解性磷酸盐的测定水样总磷：0.022mg/l总溶解性磷：0.012mg/l溶解性磷酸盐：0.000mg/l室内实验实验结果分析pH变化太湖梅梁湖重污染水体有无微生物作用的磷释放实验56789051015202530灭活pH变化非灭活pH变化时间T（d）pH值实验结果分析太湖梅梁湖重污染水体有无生物作用的磷释放实验底泥中磷酸盐的每日释放量曲线（灭活）每日磷释放量与时间关系图（灭活）-10-6-22610051015202530时间T(d)每日磷释放量灭活实验结果分析太湖梅梁湖重污染水体有无生物作用的磷释放实验底泥中磷酸盐的每日释放量曲线磷释放与时间关系图-8-5-214710051015202530时间（d）每日磷释放量(ug)灭活未灭活间隙水中TDP含量分析模拟试验结束后间隙水中TDP的含量分布0.000.100.200.300.400.500.600.700～2cm2～4cm4～6cm6～8cm8～10cm土柱深度TDP含量（mg/l）未灭活灭活间隙水中DP含量分析模拟试验结束后间隙水中DP的含量分布0.000.010.010.020.020.030.030.040～2cm2～4cm4～6cm6～8cm8～10cm土柱深度DP含量（mg/l）未灭活灭活（中国环科院）2．湖泊水－沉积物界面地球化学过程对湖泊富营养化的影响梅梁湾贡湖样品采集苏州西山10厘米10厘米A方式0010厘米5厘米5厘米B方式10厘米2厘米C方式试验处理共（3+5+10）*3=56个泥柱y=0.2307x-0.0017R2=0.9999**0.000.050.100.150.200.250.300.350.000.501.001.50总磷浓度（P2O5mg/L）吸光度值总磷标准曲线部分结果010203040506070801-A-上1-A-下2-A-上2-A-下3-A-上3-A-下含水率%样品编号底泥样品含水率测定结果01020304050607080901-B-5-11-B-5-21-B-102-B-5-12-B-5-22-B-103-B-5-13-B-5-23-B-10含水率%样品编号050010001500200025003000350040001-A-上1-A-下2-A-上2-A-下3-A-上3-A-下总磷含量（mg/kg）样品编号底泥总磷含量测定结果05001000150020002500300035004000450050001-B-5-11-B-5-21-B-102-B-5-12-B-5-22-B-103-B-5-13-B-5-23-B-10总磷含量（mg/kg）样品编号0500100015002000250030003500400045005000底泥总磷含量测定结果总磷含量（mg/kg）总磷含量(mg/kg)05001000150020002500300035001A10-11A10-2平均2A10-12A10-2平均3A10-13A10-2平均1-B-5-1Fe-PCa-PAl-P溶解性磷闭蓄态总磷残磷1-B-5-21-B-10底泥不同形态磷含量测定结果总氮含量(mg/kg)0100020003000400050001A10-11A10-2平均2A10-12A10-2平均3A10-13A10-2平均0246810121A10-11A10-2平均2A10-12A10-2平均3A10-13A10-2平均有机质含量(%)阳离子代换量(毫克当量/100克)0510152025301A10-11A10-2平均2A10-12A10-2平均3A10-13A10-2平均初步结论1、不同营养水平的底泥样品已经获得2、基本的理化性质结果已经获得1-B-5-1Fe-PCa-PAl-P溶解性磷闭蓄态总磷残磷1-B-5-21-B-10太湖底泥不同形态磷研究下半年工作计划•野外调查：确定典型的不同营养水平下的浅水湖泊水－沉积物界面的微生态结构，探讨微生态结构与营养水平之间的关系。•室内实验：建立水－沉积物－微小生物模拟系统，模拟研究不同微生态结构条件影响下磷的释放。•模拟研究不同营养水平沉积物的界面结构，磷的形态变化与N、P释放。论文发表情况•已投SCI杂志一篇；•已投国外核心刊物两篇，正在印刷中。发表论文计划与阶段成果报告明年6月份前发表SCI文章一篇、国内外核心刊物上发表文章2篇完成野外试验研究报告、室内模拟试验研究报告4．重污染湖区营养元素生物有效性的限制因素和转化作用水生所承担部分1．湖泊水－沉积物界面物质交换过程及其水动力影响机制试验地点滇池工作站系列试验围隔(5×100m2、4×1000m2)建立沉积物和悬浮物中磷的形态分级分离分析方法方法•生物可利用磷－BAP(Biologicalavailablephosphorus)•水溶性磷－WSP(Watersolublephosphorus)•松散结合态磷－LAP(LooselyadsorbedP)•Olsen-P•磷灰石磷－Ca-boundphosphorus分析方法•有关理化参数分析测试方法参照相应国标方法，如TP、TN、DO、pH、Eh、透明度等•分别测定底泥在550℃和900℃下的LOI