富营养化浅水湖泊水体中氨氮积累对硝化作用的影响研究陈国元

EffectsofAmmoniaAccumulationonNitrificationProcessinWateroftheEutrophicShallowFreshwaterLakesGuoyuanChenWaterResourcesandEnvironmentalInstitute,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen,ChinaEmail:[e-mail]:Nitrificationisaprocessinwhichammoniaisoxidizedtonitrite(NO2−)thatisfurtheroxidizedtonitrate(NO3−).TherelationsbetweenthesetwostepsandambientammoniaconcentrationswerestudiedinsurfacewaterofLakeYuehuandLakeDianchi.TheratesofammoniaoxidationwerehigherthanthoseforNO2−oxidationinthetwoeutrophiclakes.Thiscanbeexplainedbytheexcessiveunionizedammonia(NH3)concentrationthatinhibitsnitriteoxidizingbacteria.Furthermore,NO2−oxidationwaslessassociatedwithparticlesinnaturalwaterofthestudiedlakes.Withouteffectiveprotection,itwouldbeselectivelyinhibitedbytheexcessiveammoniaineutrophiclakes,resultinginNO2−accumulation.Shortly,theincreasedconcentrationsofammoniacauseamisbalancebetweentheNO2−-producingandtheNO2−-consumingprocesses,therebyexacerbatingthelakeeutrophication.Keywords:nitrification;ammoniaaccumulation;NO2−accumulation;eutrophiclakes富营养化浅水湖泊水体中氨氮积累对硝化作用的影响研究陈国元厦门理工学院水资源环境研究所，厦门，中国，361005Email:[e-mail]摘要：硝化作用分两个过程进行，首先是氨被氧化成亚硝酸盐（NO2−），然后再被氧化成硝酸盐（NO3−）。本文系统研究了富营养化湖泊月湖和滇池水体中硝化作用的两个过程及其与氨氮浓度的关系。结果表明：月湖和滇池水体中存在的高浓度非离子态氨（NH3）抑制了亚硝酸盐氧化过程，从而导致高氨氧化速率和低亚硝酸盐氧化速率。同时，与氨氧化过程相比，月湖和滇池水体中亚硝酸盐氧化的颗粒态活性部分较少，更容易受到高浓度NH3的抑制。简言之，富营养化湖泊水体中氨氮的积累导致了氨氧化过程和亚硝酸盐氧化过程的不平衡，促进了NO2−的积累，在一定程度上加剧了水体的富营养化。关键词：硝化作用；氨积累；NO2−积累；富营养化湖泊1.引言沉积物-水界面上的反硝化在削减富营养化湖泊氮源上起着重要作用。反硝化的底物是硝酸盐（NO3−），而硝化作用是NO3−的一种主要内源，是水生生态系统中氮循环的一个非常重要的环节[1]。硝化作用包括氨氧化和亚硝酸盐氧化两个过程。由于人类大量使用化肥和排放生活污水、工业废水造成大量含氮化合物进入湖泊生态系统。例如：象牙海岸中心的一个湖泊水体中氨氮浓度超过1mgl-1[2]；Onondaga湖水体中氨氮浓度为1.5－4mgl-1[3]；中国33个湖泊水体氨氮平均浓度为0.36－1.30mgl-1[4]。较高浓度的非离子态氨（NH3）会对硝化作用产生抑制[5]。因此，系统研究氨氮积累的富营养化湖泊水体中硝化作用的发生过程，明确氨氮积累对硝化作用的影响机制，对于揭示湖泊生态系厦门理工学院引进高层次人才科研启动项目（YKJ09022R）和国家自然科学基金项目（2008CB418005）联合资助。ConferenceonEnvironmentalPollutionandPublicHealth978-1-935068-16-7©2010SciRes.1093统中氮的生物地球化学循环机理具有重要的理论意义。2材料与方法2.1研究湖泊概况月湖（114°14′－114°15′E,30°33′N）位于汉阳龟山以西，汉水以南，东西长约3150m，南北宽约450m，平均水深1.2m，总面积为0.66km2。由于大量未经处理的生活污水和工业废水的排放导致月湖水体出现严重的富营养化[6]。滇池（102°36′－102°47′E,24°40′－25°02′N）是云贵高原第一大湖，位于云南省昆明市城区西南面。近十几年来，由于人类活动的影响，滇池水体富营养化程度加剧，以微囊藻为优势种的有毒蓝藻水华频繁发生，湖泊生态系统日益恶化[7]。2.2样品采集与指标分析于2006年3月和6月分别在月湖和滇池采集表层水样。用便携式测定仪现场测定温度（T）、溶氧（DO）、pH和透明度。水样密封冰冻后，于3～4h内运回实验室供后续处理与分析。采集的水样过0.45μm孔径的滤膜后，严格按照《水和废水监测分析方法》（第四版）进行NO2-和离子态氨（NH4+）浓度的测定。NH3浓度根据Barnabe公式[8]进行计算。氨氧化速率的测定：取100mL原水样于150mL聚乙烯瓶中，加入亚硝酸盐氧化抑制剂NaClO3(最终浓度为1.06gl-1)[9]和NH4+溶液（最终浓度为2mM），20℃下于黑暗中培养24h[10]，根据培养前后NO2-含量的差值计算氨氧化速率[11]。亚硝酸盐氧化速率的测定：取100mL原水样于150mL聚乙烯瓶中，加入氨氧化抑制剂丙烯基硫脲（ATU）(最终浓度为10mgl-1)[9]和NO2-溶液（最终浓度为0.36mM），20℃下于黑暗中培养24h[10]，根据培养前后NO2-含量的差值计算亚硝酸盐氧化速率[11]。氨氧化和亚硝酸盐氧化速率的分级测定：水样过3.0μm孔径的滤膜后，取滤液按上述方法测定氨氧化和亚硝酸盐氧化速率，表示自由态活性，记作F(3.0μm)。颗粒态活性，记作F(3.0μm)，由原水的氨氧化和亚硝酸盐氧化速率减去自由态活性获得[12]。3结果3.1湖泊水质参数如表1所示，月湖和滇池水体的透明度平均值较低，但是呈现较高的pH、NH4+和NH3浓度。同时月湖和滇池水体中出现明显的NO2-积累。3.2氨氧化和亚硝酸盐氧化速率如表2所示，滇池和月湖水体中氨氧化速率显著高于（p0.05）亚硝酸盐氧化速率，其比值分别为2.36±0.574和1.71±0.389。3.3氨氧化和亚硝酸盐氧化速率的分级如表3所示，月湖和滇池水体中氨氧化的颗粒态活性分别占总活性的74.1%和78.4%，亚硝酸盐氧化的颗粒态活性分别占总活性的59.4%和57.1%。Table1.Basicparameters(Mean±SD)insurfacewaterofLakeYuehu(n=12)andLakeDianchi(n=15)表1.月湖（n=12）和滇池（n=15）水体的基本参数(Mean±SD)水质参数滇池月湖水深(cm)283±46.3123±13.8透明度(cm)46.3±3.1634.8±2.78温度(℃)23.4±0.3720.1±0.25pH9.42±0.1139.21±0.389DO(mgl-1)5.27±0.6728.34±0.481NO2-(mgl-1)0.086±0.0210.103±0.026NH4+(mgl-1)0.908±0.2640.401±0.198NH3(mgl-1)0.522±0.1820.156±0.051Table2.RatesofammoniaandNO2-oxidation(Mean±SD)insurfacewaterofLakeYuehu(n=12)andLakeDianchi(n=15)表2.月湖（n=12）和滇池（n=15）水体中氨氧化和亚硝酸盐氧化速率(Mean±SD)湖泊氨氧化速率(mgNl-1d-1)亚硝酸盐氧化速率(mgNl-1d-1)滇池0.046±0.0250.020±0.011月湖0.176±0.0640.115±0.043Table3.Size-fractionatedratesofammoniaandNO2-oxidation(Mean±SD)insurfacewaterofLakeYuehu(n=12)andLakeDianchi(n=15)表3.月湖（n=12）和滇池（n=15）水体中氨氧化和亚硝酸盐氧化速率的分级(Mean±SD)湖泊氨氧化速率亚硝酸盐氧化速率ConferenceonEnvironmentalPollutionandPublicHealth978-1-935068-16-7©2010SciRes.1094(mgNl-1d-1)(mgNl-1d-1)F(3.0µm)F(3.0µm)F(3.0µm)F(3.0µm)滇池0.027±0.0130.008±0.0030.012±0.0050.006±0.002月湖0.133±0.0520.046±0.0180.079±0.0240.042±0.0174讨论氨氧化过程在许多生态系统中一般受到可利用性氨氮浓度的限制[13]。氨氧化细菌的底物饱和系数为0.3mgNH3l-1[14]。较高浓度的NH3一定程度上促进了氨氧化过程，从而导致较高的氨氧化速率。但是，亚硝酸盐氧化过程会受到较高浓度NH3的抑制，从而导致较低的亚硝酸盐氧化速率。月湖和滇池水体中存在较高浓度的NH3，同时存在高速率的氨氧化过程和低速率的亚硝酸盐氧化过程证实了这一点，说明在富营养化湖泊中氨氮的积累是影响硝化作用的一个重要因素。氨氧化细菌在一定条件下会受到高浓度氨氮的抑制，但是亚硝酸盐氧化细菌对高浓度氨氮更加敏感[15]。例如：NH3对淡水生态系统中氨氧化细菌的主要种类之一Nitrosomonas的抑制域值是10－150mgl-1，而对淡水生态系统中亚硝酸盐氧化细菌的主要种类之一Nitrobacter[16]的抑制域值是0.1－1.0mgl-1[15]。同时，NH3对淡水生态系统中亚硝酸盐氧化细菌的另一种主要种类Nitrospira[16]的抑制域值更低，为0.04－0.08mgl-1[17]。月湖和滇池水体中的NH3浓度分别为0.156和0.522mgl-1，以达到对Nitrobacter和Nitrospira的抑制范围，而同时高浓度的氨氮却促进了氨氧化细菌的活性，从而导致高氨氧化速率和低亚硝酸盐氧化速率的情况。自然水体中，硝化细菌一般是黏附在悬浮的或固定的固体颗粒物上，而不是以个体形式的自由形态生活[18－21]。硝化细菌黏附在固体颗粒物上，一方面可以导致它们在水中有较长的停留时间[22]，另一方面形成的生物膜可以增强它们抵抗高浓度氨氮、高pH等外界不良的环境因子[23]。例如，氨氮浓度在生物膜内呈梯度性降低[24]，因此可以极大地削弱氨氮对硝化细菌的抑制。在滇池和月湖水体中，颗粒态的氨氧化速率占总氨氧化速率的78.4%和74.1%，而颗粒态的亚硝酸盐氧化速率仅占总亚硝酸盐氧化速率的57.1%和59.4%，也就是说，在滇池和月湖水体中，有42.9%和40.6%的自由态生活的亚硝酸盐氧化细菌，这部分细菌很容易受到水体中已达到亚硝酸盐氧化细菌抑制域值的NH3的抑制，从而导致低速率的亚硝酸盐氧化过程。以亚硝酸盐氧化速率为对照，对氨氧化速率和NO2-浓度进行偏相关分析，结果表明，月湖（r=0.83,p0.05,n=12）和滇池（r=0.60