邛海濕地春季堿性磷酸酶活性分布及影響因素

摘要：以邛海為研究區域，對其表層水、上覆水和沉積物間隙水中不同粒級的堿性磷酸酶活性及其他理化因子進行了分析。結果表明，邛海水體及沉積物總堿性磷酸酶活性（TAPA）的分布具有明顯的空間異質性，并且在垂直方向上，水體中的堿性磷酸酶在不同粒級組分中的分布均表現出顯著性差異（P<0.05）。邛海水體中堿性磷酸酶的活性與溶解性正磷酸鹽（DIP）的含量呈顯著負相關關系，說明DIP的濃度是水體中堿性磷酸酶活性的重要調控因子。

關鍵詞：堿性磷酸酶活性；空間分布；邛海

中圖分類號：X171；X524 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）14-3613-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.018

Abstract： Alkaline phosphatase activity（APA） plays an important role in the biogeochemical cycling of phosphorus in water environment. The spatial distribution of APA in surface，overlying and sediment interstitial water，and relavant environmental variables were studied in Qionghai Lake in spring. The results indicated that the total APA in water and sediment of Qionghai lake showed obvious spatial heterogeneity. Also， the vertical distribution of APA in phytoplankton（PAPA）， bacteria（BAPA） and dissolved（DAPA） was obviously different（P<0.05）. There was a negative correlation between the alkaline phosphatase activity and inorganic phosphate content，which indicated that the concentration of inorganic phosphate was the important regulatory factor to the alkaline phosphatase activity.

Key words： alkaline phosphatase activity； spatial distribution； Qionghai Lake

目前全國水污染現象日趨嚴重，水體水質日益惡化，90%以上的城市地表水體受到污染，大淡水湖泊和城市湖泊處于中度污染水平，75%以上湖泊出現富營養化[1]。因此近20年來，國內學者對東湖、巢湖、太湖、洞庭湖、洪湖、滇池、白洋淀等湖泊的水污染控制和生態恢復開展了大量的研究，并取得了許多成功的經驗。然而研究主要集中在人口稠密、經濟發達的地區，這些湖泊多數已經富營養化或正在富營養化，如國家重點治理的“三湖”中的太湖和巢湖[2]。中國其他一些位于經濟較落后、人類活動干涉較少地區的一些湖泊，如四川涼山地區的邛海、內蒙古的呼倫湖等湖泊的水環境問題也日益突出。但目前這些湖泊受到的關注程度遠遠不夠，且尚處于富營養化轉型時期，如及時采取污染控制和預先的生態防范措施，則需制定與其他重污染湖泊治理完全不同的先期防治戰略路線，國際上尚未有相關的完整報道。因此監控邛海營養變化，開展污染源控制和生態防范措施的研究，不僅有利于邛海水環境的保護，也可為相關湖泊保護提供科學依據和實踐參考。

由于磷被認為是浮游植物生長的限制性營養元素[3]，因此在水體富營養化的治理上，可能取決于對磷的控制措施[4]，因此磷的控制就成為了重要的環節。大量的研究表明，堿性磷酸酶（APA）作為一種專一水解磷酸單酯的誘導酶類，當水體中缺乏正磷酸鹽時，可在浮游植物、浮游動物及細菌體內誘導產生。堿性磷酸酶可以把有機磷以及無機的多聚磷水解成藻類可直接利用的正磷酸鹽，使其生長、繁殖得以持續[5]。故水體堿性磷酸酶的活性和行為與富營養化程度和水華現象密切相關[6，7]。根據富營養化狀態不同的眾多湖泊中APA的測試數據，Jones等[8]認為APA是度量水生生態系統富營養狀況和生物量的適宜指標。堿性磷酸酶在水生生態系統磷的物質循環過程中具有非常重要的作用[9]，且極富環境意義，不僅能從宏觀上描述水華的產生與消失等基本過程，而且能在分子機制方面提供相應的解釋，是研究湖泊富營養化的有力工具[10]。目前中國關于堿性磷酸酶的研究工作多在長江中下游的典型富營養化湖泊中開展，如太湖[11-13]、西湖[14]、東湖[15]、白洋淀[16]等，研究內容主要涉及到堿性磷酸酶的活性分布及其動力學特征等方面。故本研究以四川省西昌邛海為對象，通過對邛海水體和沉積物中堿性磷酸酶活性分布及影響因素的研究，探討尚處于富營養化轉型時期的湖泊控制，以此作為治理和保護邛海的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

邛海位于四川省西昌市，流域面積307.67 km2，地處102°15′-102°28′E，27°42′-27°55′N（圖1），系四川省第二大淡水湖泊。邛海不僅是流域內重要的水源地一級保護區，同時邛海-瀘山景區也是國家級風景名勝區，對當地的社會和經濟發展提供了重要支撐。

1.2 樣品采集

2014年3～5月在邛海的4個長期監測點進行每月采樣，各采樣點的地理位置如圖1所示。分別使用有機玻璃采水器采集表層水（水面下0.5 m）和上覆水（距沉積物表面0.1 m），用抓土漏斗采集沉積物約1 kg。每樣點樣品采集兩份，重復采樣樣點間隔50 m。所有樣品置于4 ℃冰箱保存，其中沉積物4 000 r/min離心10 min，制備間隙水，并在24 h內對各項理化指標及APA進行測定。現場測定透明度、pH、水溫等參數。

1.3 分析方法

1.3.1 理化因子的測定 參照《水和廢水監測分析方法（第四版）》[17]，總磷（TP）、總氮（TN）采用過硫酸鉀消化法測定，溶解性正磷酸鹽（DIP）采用鉬-銻-抗比色法測定，CODMn采用高錳酸鉀法測定，葉綠素a（Chla）采用熱乙醇-反復凍融法測定[18]。

1.3.2 水體中堿性磷酸酶活性 堿性磷酸酶活性分析是基于酶作用物能被各自的專性酶水解成含有不同發色基團的產物，而這些產物的吸光度可用分光光度計測得的原理。分別取2份樣品，取2 mL水樣加入1 mL緩沖液、2 mL底物，30 ℃水浴3 h后加1 mL的0.1 moL/L NaOH終止反應，410 nm測其吸光度，設置空白對照為底物加去離子水。堿性磷酸酶活性表示為單位體積內水樣所包含酶在單位時間內水解產生的對應反應產物的量，即對硝基苯酚[mmol/（L·h）]，酶活性的計算公式如下：

酶活性=（A/ε·V）/（V樣·t）

式中，A為吸光度；ε為產物的摩爾消光系數[對硝基苯酚為17 500 L/（moL·cm）]；V為反應體系體積；V樣為樣品體積；t為反應時間。

將水樣在不過濾、用3.00 μm濾膜及0.22 μm濾膜抽濾的條件下，分別測定其APA。其中未過濾樣品中的堿性磷酸酶活性即為總堿性磷酸酶活性（TAPA）；0.22 μm濾膜過濾后的水樣中的堿性磷酸酶活性即為溶解性堿性磷酸酶活性（DAPA）；3.00 μm濾膜過濾后的水樣中的堿性磷酸酶活性為細菌的堿性磷酸酶活性（BAPA）和溶解性堿性磷酸酶活性；藻類的堿性磷酸酶活性（PAPA）=TAPA-BAPA-DAPA。

2 結果與分析

2.1 TAPA的分布情況

4個采樣點的TAPA的分布均具有非均一性。對各采樣點進行分析，表層水中1號的TAPA最高，為3.57×10-5 mmol/（L·h），3號最低，為2.14×10-5 mmol/（L·h）；上覆水中2號的TAPA最高，為3.28×10-5 mmol/（L·h），1號最低，為2.42×10-5 mmol/（L·h）；間隙水中1號最高，為2.314×10-4 mmol/（L·h），3號最低，為1.505×10-4 mmol/（L·h）。

從不同水層方面分析，4個站點各自的表層水、上覆水、間隙水的堿性磷酸酶活性有依次升高的趨勢。從其平均值來看，間隙水中TAPA的平均值最高，上覆水次之，表層水最低。通過數據的統計分析，間隙水、上覆水和表層水的TAPA均表現出顯著性差異（P<0.05）。

2.2 TAPA在不同粒級組分中的分布及變化

經過數據的統計分析，水體中TAPA在不同粒級組分中的分布具有顯著性差異（P<0.05），且不同水層中的粒級組分也具有顯著性差異（P<0.05）。表層水中DAPA占TAPA比例最高，平均為56.71%；BAPA所占的比例次之，平均為22.57%；PAPA所占比例最少，平均為20.72%。上覆水中所占比例平均依次為DAPA（51.02%）>PAPA（32.83%）>BAPA（16.15%），而間隙水中PAPA占比最高，所占比例平均依次為PAPA（60.75%）>BAPA（32.28%）>DAPA（6.97%）（圖3）。

從垂直方向上看，DAPA占TAPA的比例有自上而下遞減的趨勢；PAPA占TAPA的比例有自上而下遞增的趨勢；BAPA所占的比例并未體現出類似的規律，但是在間隙水中所占的比例顯著高于表層水和上覆水（P<0.05）。

2.3 TAPA與TP、DIP的關系

隨著水體中磷濃度的變化堿性磷酸酶的活性也出現不斷的變化（圖4和圖5）。然而統計分析顯示，水體中TP的濃度變化與水體中TAPA并沒有顯著相關關系（r=0.485，P>0.05）。但是圖5卻顯示出水體中DIP的濃度變化與水體中TAPA的變化存在著顯著的負相關關系（r=-0.713，P<0.05）。當水體中DIP的濃度升高時，TAPA就會相應的降低。

2.4 TAPA與葉綠素a的關系

圖6表示了TAPA與葉綠素a的濃度之間的關系。TAPA會隨著葉綠素a的濃度變化而變化，但是兩者之間并沒有體現出顯著的相關關系（r=0.402，P>0.05）。

3 小結與討論

通過對邛海水體和沉積物中堿性磷酸酶的活性分布和影響因素的研究，初步得到以下結論：①邛海水體和沉積物中堿性磷酸酶活性分布具有明顯的空間異質性，主要與水體的營養及水質狀態有關；②春季時，邛海水體中堿性磷酸酶活性主要集中分布在沉積物間隙水中；③目前邛海水體處于貧營養化，其底質處于中富營養狀態；④DIP可能是調節TAPA的更為直接的影響因子；⑤邛海水體和沉積物中堿性磷酸酶活性與采樣點的富營養化程度趨于一致，可以作為湖泊富營養化的指標，這對檢測水質營養狀況，預防水體富營養化，防止水華暴發有著重要的意義。

3.1 堿性磷酸酶活性分布的空間異質性

4個樣點的TAPA分布具有非均一性，1號的堿性磷酸酶活性平均值最高，2號次之，3號的最低。通過各項數據對比各樣點的相關指標可發現，堿性磷酸酶活性的分布不僅僅受到其誘導因素磷的影響，同時還與化學需氧量、氨氮含量、溶解氧含量、pH等多重因素有關。可見APA是一個可以反映水體綜合水質及營養狀態的指標。

不同水層的堿性磷酸酶活性表現出明顯的異質性。除1號的表層水堿性磷酸酶活性略高于上覆水外，其他站點的堿性磷酸酶活性自上而下表現出明顯的遞增趨勢，同時發現間隙水的堿性磷酸酶活性顯著高于表層水和上覆水（P<0.05），即邛海在春季時沉積物間隙水中的酶催化效率較高，能迅速分解或礦化可酶解磷，成為磷營養的一個重要補給庫。可見當邛海的水體處于磷營養缺乏時，其底質具有迅速水解釋放可溶性磷酸鹽供浮游藻類生長的潛能。

3.2 TAPA在各水層不同粒級組分中分布的非均一性

水體中堿性磷酸酶在不同粒級組分中的分布體現出空間的非均一性，并且在不同水層表現出一定的規律性。不同粒級的堿性磷酸酶活性在表層水中表現為DAPA>BAPA>PAPA，在上覆水中表現為DAPA>PAPA>BAPA，在間隙水中表現為PAPA>BAPA>DAPA。這可能與不同水層中水生生物的組成和多少有關。因為浮游生物多分布在沉積物表層，而表層水和上覆水中浮游植物生物量較少，因此水體中是溶解性磷酸酶占主導地位，沉積物的間隙水中是藻類磷酸酶占主導地位。

有研究者發現在寡營養湖泊中，溶解性磷酸酶活性占總酶活性的50%以上，并且認為在寡營養湖泊中有超過一半的有機磷被溶解態磷酸酶所水解。可見溶解態堿性磷酸酶在湖泊磷循環過程中具有重要的作用，且與富營養化程度相關。本研究中，表層水和上覆水中DAPA占TAPA的比例分別為56.71%和51.02%，均超過50.00%；而間隙水中DAPA所占比例僅為6.97%。由此推測，邛海的水體處于貧營養狀態，而湖底沉積物則處于中富營養狀態，當遇到合適的氣候水文條件時，底質中營養物質的上翻及釋放就可能造成藍藻的爆發，所以這一點需引起重視。

3.3 堿性磷酸酶活性與TP、DIP和Chla的關系

邛海水體中生物可直接利用的磷的含量并不高，僅占水體中總磷的5%左右，且DIP濃度很低，各采樣點中可溶性正磷酸鹽的最高濃度也很低。很多藻植物在處于缺磷狀態時，它們能產生堿性磷酸酶，而在營養充足時，酶的合成則受到抑制。所以堿性磷酸酶作為一種誘導酶，也作為一種誘導-抑制機制。當水體中生物可直接利用的溶解性正磷酸鹽的濃度較低，不足以維持藻類生長時，藻類、細菌等則會受到誘導，會大量產生、釋放堿性磷酸酶到水中，并且其活性也相應顯著增加，這就使水體中有機磷的分解、釋放速率加快，導致水體中DIP濃度增加；而隨著水體中DIP濃度的增加，堿性磷酸酶的活性則會受到抑制，使得水體中磷的分解、釋放速率變緩，再加上藻類、細菌的利用，導致水體中DIP的濃度逐漸下降，最終又使得堿性磷酸酶的活性逐漸增加[19]。因此DIP與TAPA呈現出顯著負相關關系（r=-0.713，P<0.05），與Aaronson等[20]的研究結果一致。而總磷與堿性磷酸酶活性則沒有顯著的相關關系（P>0.05），這與以往一些研究結果表明水體中APA與總磷濃度具有正相關關系[21-23]有所不同，說明生物可直接利用的溶解性正磷酸鹽可能是調節堿性磷酸酶活性更為直接的誘導或者抑制因子。

表層水體中的總堿性磷酸酶主要來自于溶解性磷酸酶，溶解性磷酸酶主要來自于浮游植物和浮游動物的主動釋放或從解體的細胞中溢出[24]。在不同的季節，不同的水體中，溶解性磷酸酶可能來自不同占優勢的生物類群。據相關研究，堿性磷酸酶活性與細菌和浮游植物量之間呈顯著的正相關關系。瑞典Erken湖中細菌的生物量極低，水體磷酸酶活性與葉綠素含量有著極其相似的季節及空間上的變化趨勢[8]。而在細菌占優勢的情況下，水體堿性磷酸酶活性的日變化趨勢與細菌數目之間具有某種內在的聯系。邛海水體中，堿性磷酸酶活性與葉綠素a之間具有相似的變化趨勢，但是并沒有體現出顯著的相關關系，可見，春季該水體中的堿性磷酸酶不一定主要來自于藻類。且表層水中細菌的堿性磷酸酶活性占總堿性磷酸酶活性的比例為20.38%，高于藻類的堿性磷酸酶活性所占的比例。因此，要確定邛海水體表層水中堿性磷酸酶的主要來源還有待于對其生物類群組成及數量的調查。

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