浅水湖泊沉积物磷素迁移转化特征与生物作用影响机制研究——以杭州西湖为例

摘要

湖泊富营养化严重破坏水生生态系统并危害人类饮用水安全，是全球性的环境问题。在外部污染源逐步受到控制的情况下，浅水湖泊沉积物中磷素的释放是引起湖泊富营养化发生、蓝藻水华形成的重要因素。然而，对于内源营养盐在湖泊水-沉积物界面间迁移转化特征以及影响磷素形态转变的生物地球化学过程，尤其是化学环境与微生物的作用，目前依然缺乏研究。因此，本文以典型城市浅水湖泊--杭州西湖作为研究对象，系统调查了西湖沉积物中不同形态磷素和解磷微生物分布的时空变化特征，并借助欧盟推荐的SMT方法分析了沉积物中磷素的可能来源，继而深入分析了生物作用与物理化学作用对于水-沉积物界面磷素迁移转化过程的影响程度和机制，并分离鉴定了几株具有较强解磷能力的解磷细菌。本文研究成果可为同类型湖泊营养元素控制和富营养化治理研究提供理论依据，具体研究成果如下：
　　 ⑴调查了西湖水体中磷素含量的季际变化以及沉积物中不同形态磷素的时空变化特征。西湖水体全年总磷(IP)含量在0.10mgL-1附近波动，小南湖最低而外湖和北里湖则一直保持较高水平，季节分布上冬夏季高春秋季低。在全年的大部分时间里，难以被浮游植物直接利用的颗粒态磷是水体TP的主要组成部分。采用SMT磷素分级方法分析了西湖沉积物不同形态磷素的含量，结果发现西湖七个采样点沉积物中TP含量变化范围为0.21 mg g-1到1.48 mg g-1，该水平与其他同类型湖泊相比处于中游。TP的垂向分布总体上呈现出自上而下减少的趋势，而季节性变化则体现出冬高夏低、春秋两季含量接近的特征。HCl-P是西湖沉积物中磷素的主要成分，并且与TP含量呈现极显著相关，有机磷(OP)次之，而NaOH-P所占比例最低。西湖沉积物中磷素的富集与人类活动关系密切，主要来源于其流域内的生活污水和农业径流，几条主要的入湖溪流充当了传递媒介。
　　 ⑵明确了西湖沉积物对于磷素的吸附特征。西湖沉积物吸附磷素的过程分为快吸和慢吸两步，吸附反应主要是在前12 h内完成的。利用修正的Langmuir吸附模型能够较好地拟合西湖沉积物对于磷素的吸附过程，根据模型拟合结果，不同采样点沉积物的最大吸附量(Smax)的变化范围为0.61 mg g-1至1.13 mg g-1，该参数与沉积物中粒径较小的粘土和粉砂所占比例呈现正相关关系。沉积物平衡磷素浓度(EPC0)的变化范围为0.038 mg L-1至0.193 mgL-1，均明显高于各自上覆水中正酸盐浓度，说明西湖沉积物更倾向于扮演“源”的角色，向上覆水体中不断地释放磷素。
　　 ⑶分析了西湖沉积物中微生物多样性和解磷细菌分布情况，从西湖沉积物中分离筛选出12株解磷菌并测定了其解磷能力。采用DGGE分析了西湖不同样点沉积物间的微生物多样性与种群分布，结果发现差异不显著，但是与西溪湿地沉积物的微生物多样性相比则存在明显的地域差异。位于西溪湿地滩涂处沉积物的Shannon指数最低，而西湖沉积物的Shannon指数呈现出由北向南递减的趋势。西湖沉积物中解磷细菌丰度高，解有机磷菌数量比解无机磷菌大一个数量级，并且具有明显的空间差异性，具有中间层高，底层次之，表层最低的分布特征，但是解磷菌数量与相应形态的磷素组分含量之间并不存在明显的相关关系。利用纯培养的方式从西湖沉积物中分离获得8株解有机磷菌和4株解无机磷菌。解有机磷菌分属于5个不同的属，其中巴赛尔亲铜菌(Cupriavidus basilens)首次被发现具有降解有机磷的能力，而分离获得的4株解无机磷菌均属于长杆菌属(Enterobacter sp.)。解磷能力测定结果表明，在孤立体系中解有机磷菌不仅生长速度较慢，而且解磷能力也大大弱于解无机磷菌。
　　 ⑷揭示了生物作用在水-沉积物界面磷素迁移转化过程中的重要性。生物作用由生物量和生物活性两部分组成，生物作用的强弱不仅取决于生物量的大小，生物体分解磷素活性的大小也在磷素迁移转化过程中起着极其重要的作用。在适宜的环境条件下，由生物作用引起的沉积物TP减少量可达到由物理化学作用引起TP减少量的四倍以上。温度是影响微生物量和生物分解磷素活性的最直接因素，光照是藻类生长的必要条件，有光下藻类的大量增殖会增强微生物解磷活性。pH对生物作用的影响不显著，但是偏碱性环境能够促进碱性磷酸酶活性并且有利于藻类捕获CO2继而大量繁殖，从而增加TP的损失量。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

1.1 湖泊富营养化状况及成因

1.2 湖泊富营养化营养盐限制性因子

1.3 湖泊系统中的磷素形态

1.3.1 湖泊水体与沉积物中磷素赋存形态

1.3.2 湖泊沉积物中磷素的分离方法及意义

1.4 磷素在水-沉积物界面的迁移转化

1.4.1 沉积物的汇源转化

1.4.2 沉积物对于磷素的吸附

1.4.3 沉积物内源磷素释放的影响因素

1.5 水-沉积物界面磷素转化的生物影响机制

1.5.1 沉积物中微生物多样性的分析方法

1.5.2 解磷细菌的种群特征与鉴定方法

1.5.3 磷细菌在水-沉积物界面磷形态转化中的作用

1.5.4 磷细菌解磷机理

1.6 沉积物释磷的控制措施

1.7 杭州西湖概况

1.8 研究背景、研究内容及技术路线

1.8.1 研究背景及研究内容

1.8.2 技术路线

第二章 西湖沉积物磷素形态的分布特征与来源

2.1 前言

2.2 材料与方法

2.2.1 采样地点与时间

2.2.2 样品处理

2.2.3 分析方法

2.2.4 数据分析

2.3 结果与分析

2.3.1 西湖柱状沉积物的基本性质

2.3.2 上覆水理化性质和水质的季际变化

2.3.3 沉积物中不同形态磷素组分的时空分布

2.4 讨论

2.4.1 西湖沉积物不同形态磷素组分的分布特征

2.4.2 西湖沉积物不同形态磷素之间的关系

2.4.3 西湖沉积物中不同形态磷素的来源

2.5 小结

第三章 西湖沉积物磷素吸附特征研究

3.1 前言

3.2 材料与方法

3.2.1 沉积物样品准备

3.2.2 磷素吸附动力学实验

3.2.3 磷素等温吸附实验

3.2.4 吸附模型

3.3 结果与分析

3.3.1 沉积物磷素吸附动力学过程

3.3.2 沉积物磷素等温吸附平衡过程

3.4 讨论

3.5 小结

第四章 沉积物中解磷菌分布与解磷能力表征研究

4.1 前言

4.2 材料与方法

4.2.1 采样地点与方法

4.2.2 沉积物样品中不同形态磷含量分析

4.2.3 沉积物样品中微生物多样性PCR-DGGE分析

4.2.4 沉积物样品中解磷微生物计数与分离

4.2.5 解磷微生物解磷能力测定与菌种鉴定

4.3 结果与分析

4.3.1 沉积物中磷素含量的纵向分布特征

4.3.2 沉积物中微生物多样性分析

4.3.3 沉积物中解磷细菌的纵向分布特征

4.3.4 解磷细菌解磷能力研究

4.3.5 解磷细菌的鉴定

4.4 讨论

4.5 小结

第五章 生物作用在磷迁移转化过程中的重要性研究

5.1 前言

5.2 材料与方法

5.2.1 采样地点与方法

5.2.2 实验样品准备

5.2.3 实验条件设定

5.2.4 样品采集与分析方法

5.2.5 数据分析

5.3 结果与分析

5.3.1 西里湖不同点位表层沉积物中有机磷和有机质含量

5.3.2 不同环境条件下微生物生长情况

5.3.3 不同pH条件下生物作用对于磷素迁移转化的影响

5.3.4 不同光照条件下生物作用对于磷素迁移转化的影响

5.3.5 不同温度条件下生物作用对于磷素迁移转化的影响

5.4 讨论

5.4.1 生物作用在磷素迁移转化过程中的重要性

5.4.2 不同环境条件下生物作用的影响程度研究

5.5 小结

第六章 结论与展望

6.1 主要研究结论

6.1.1 西湖水体与沉积物中磷素形态时空分布特征与来源分析

6.1.2 西湖沉积物磷素吸附特征研究

6.1.3 西湖沉积物中微生物多样性与解磷菌分布及其解磷能力表征研究

6.1.4 生物作用在磷迁移转化过程中的重要性研究

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

作者简历

攻读博士期间发表的文章、专利和奖励