三峡库区嘉陵江回水区中碳氮磷利用关键酶对藻华的响应及其作用机制研究

摘要

一直以来水体氮磷浓度过高被认为是藻华爆发的主因，然而有报道指出三峡库区部分次级河流的营养物质浓度已超过富营养化最低阈值，却并未爆发藻华。有研究表明水体各营养元素往往存在多种形态，藻类仅能利用其中的特定形态，当该形态营养盐缺乏时，往往需要对其他形态营养盐进行转化，从而补充水体中特定营养盐的消耗。因此，除水体中营养盐物质的浓度外，藻类对营养物质的转化和利用能力也对其生长起到重要作用。酶在藻类转化利用营养物质过程中起关键作用，因此可认为水体中酶活性的大小对藻类的生长有重要影响。
　　自三峡工程启动以来，三峡库区的水环境问题一直是人们关注的焦点。特别是2010年175m试验性蓄水后，库区水环境条件又出现了新的变化，包括嘉陵江主城段在内的次级河流河段均受回水影响。在高蓄水位时流速大幅下降，污染物停留时间增加，水体扩散、自净能力下降，导致水体富营养化有所加剧。近年来每年春季嘉陵江主城段均会出现藻类的爆发性增长现象，不仅对生态造成了影响，还给主城区人民的饮用水安全带来了潜在威胁。因此，有必要以嘉陵江重庆主城段为研究对象，对其频繁发生的藻华现象进行深入研究。
　　基于此，为了解释营养物质浓度与藻类生长之间的不同步现象，揭示嘉陵江主城段藻华的爆发机理。论文以嘉陵江主城段水体为研究对象，对嘉陵江主城段水体中碳氮磷元素形态分布，碳氮磷元素浓度、碳氮磷利用关键酶活性、藻密度及其他水环境指标的年变化规律进行研究，借助相关性分析研究不同指标间的内在联系，借助回归分析得出不同指标间的关系式，通过多元线性拟合得出藻密度与不同环境指标间的内在联系模型，并在此基础上构建嘉陵江主城段水体中各酶活的监测模型及以及藻华易发期藻密度的预测模型。并以原位水样实验为依据筛选出各酶活性及藻密度所对应的影响因素及其变化范围，选取碱性磷酸酶及针杆藻，通过实验室实验对酶活性、藻密度与其各自影响因素间的关系进行验证，对酶对藻华的响应及其作用机制进行研究。主要结论如下：
　　①水体各酶活均受多种因素影响，其中碳酸酐酶活性（CAA）与温度（T）低度正相关，与 Zn2+中度正相关，与 pH、叶绿素 a（Chla）浓度高度正相关，与溶解性无机碳（DIC）中度负相关，与CO2高度负相关；全年变化范围为0.094-1.301 EU/106cells，夏季较高冬季较低，在消落期的4月3日有全年峰值；CAA与其影响因素间存在如下关系： CAA=0.027Chla+0.052pH-0.079CO2+1.774Zn2++0.592(R2=0.803，n=15)。硝酸还原酶活性（NRA）与pH、Chla呈中度正相关，与NO3--N呈低度正相关；全年变化范围为0.052-0.280 fmol.min-1.cell-1，消落期水平高于其他时期，4月3日有全年峰值；NRA与其影响因素间存在如下关系：NRA=0.017Chla+0.037pH-0.246Fe3++0.111NO3--0.267(R2=0.770，n=15)。碱性磷酸酶活性（APA）与pH、Chla呈中度正相关，与可酶解磷（EHP）呈低度正相关，与溶解性活性磷（SRP）呈中度负相关，与Zn2+呈高度正相关；全年变化范围为0.442-8.679 nmol.min-1.L-1，消落期APA远高于其他时期，3月26日有全年峰值；APA与其影响因素间存在如下关系：APA=60.8Zn2+-8.34EHP+0.21Chla-1.3SRP+0.19pH-3.02（R2=0.821，n=15）。实验室试验结果表明，低浓度正磷酸盐及不同有机磷均能诱导藻类分泌碱性磷酸酶，SRP浓度、水温、pH、Zn2+浓度等指标对APA的影响与原位水体中各指标对APA的影响规律一致。
　　②藻密度全年变化范围为1.56-84.81×104cells/L，较往年无明显差异。消落期藻密度大于汛期，汛期藻密度大于蓄水期，全年峰值出现在消落期期间。嘉陵江主城段水体藻华爆发最低阈值为2×105Cells/L，相应藻华期为该年2月21日至4月24日。藻密度与V、pH、Zn2+、颗粒磷（PP）、溶解性有机磷（DOP）、NRA、APA呈中度正相关，与Chla、CAA呈高度正相关关系，与颗粒有机碳（POC）、EHP呈低度正相关关系，与CO2呈中度负相关关系，与溶解性总磷（TDP）、SRP呈中度负相关；与其他指标间或无相关性，或相关性不显著。实验室单因素实验表明，各因素对针杆藻的影响与原位水体中的相应规律基本一致。针杆藻最适生长温度为20-25℃，最适pH为8.5-9.5，最适N/P比为5:1-50:1，一定程度的扰动可促进藻类的生长，过高流速抑制藻类生长，Zn2+的缺乏会抑制藻类生长；针杆藻对无磷条件的耐受性高于铜绿微囊藻，在0.3mg/L至10mg/L范围内，不同浓度有机磷对针杆藻生长促进作用无显著差异，其对不同磷源利用能力大小依次为SRP＞三磷酸腺苷（ATP）＞甘油磷酸钠（GP）＞葡萄糖-6-磷酸（G6P）＞卵磷脂（LEC），与分子量大小呈反比；除N/P比外，不同培养条件下APA与藻密度基本呈线性正相关关系。
　　③综合考虑环境条件、营养盐、酶活性等藻类生长影响因素，得出嘉陵江主城段水体藻密度与相关环境指标关系如下：Cells=-1.262V+5.152pH+8.962Zn2++9.103Chla+1.191POC-4.871CO2-8.336SRP+5.383EHP+7.88NRA+8.948APA+6.807CAA+19.6；藻华易发期藻密度与相关环境指标关系如下：Cells=156.435V-3.287CO2-22.588CAA+3.516APA+125.881NRA+43.916；提前两周的藻华易发期藻密度预测模型如下： Cells=-46.507pH+37.894CAA-586.025EHP+2.237APA+358.27NRA+352.778。
　　通过本论文的研究，有助于人们从酶活性方面更深入的认识藻华爆发机理，并为藻华的监控及预防提供理论支持。

目录

主要缩写语对照表

1 绪 论

1.1问题的提出及意义

1.2 富营养化现状及研究

1.3 酶在水体富营养化中的作用及研究

1.4研究目的及内容

1.5 实验仪器、材料及试剂

1.6 创新点

2 嘉陵江主城段主要环境指标变化规律

2.1 引言

2.2 采样点设置及实验方法

2.3 主要水文及水环境指标变化情况

2.4 碳氮磷赋存形态及变化规律

2.5 主要环境指标间相关性研究

2.6本章小结

3 嘉陵江主城段酶活变化规律及其影响因素研究

3.1 引言

3.2 实验方法及过程

3.3 嘉陵江主城段水体酶活性变化特征

3.4水体酶活性影响因素研究

3.5 本章小结

4 嘉陵江主城段藻华影响因素分析

4.1 引言

4.2 实验方法及过程

4.3 嘉陵江主城段藻密度变化规律

4.4藻类生长因素研究

4.5藻密度综合影响模型构建

4.6藻华预测模型构建及验证

4.7 本章小结

5 水体碱性磷酸酶活性影响单因素验证研究

5.1 引言

5.2实验方法及过程

5.3 磷素对APA的影响

5.4常规环境指标对APA的影响

5.5 本章小结

6 藻类生长影响单因素验证研究

6.1 引言

6.2 实验方法及过程

6.3 磷素对藻生长影响及机理研究

6.4 常规环境指标对藻类生长影响

6.5 藻类的低磷胁迫现象

6.6 APA活性对藻生长影响及分析

6.7 本章小结

7 结论与建议

7.1 主要结论

7.2 建议

致谢

参考文献

附录 作者在攻读博士学位期间论文及科研情况