嘉陵江出口段水體堿性磷酸酶活性特征

王 敏,袁紹春*,孟彩俠,徐 煒,張騰璨 (.重慶交通大學河海學院,水利水運工程教育部重點實驗室,重慶 400074；.成都市市政工程設計院,四川 成都 6005)

藻類活動規律一直是水體富營養化現象的表征之一,2003年嘉陵江出口段水體的消落期發生了不同程度的“藻華”現象,調查期間水體的氮、磷指標均已達到富營養化狀態,充足的營養鹽含量已經不再是“藻華”發生的閾值[1-5].已有研究表明,堿性磷酸酶(ALP)對藻類等浮游植物利用溶解態有機磷(DOP)并維持自身細胞增殖具有重要意義[6-11].堿性磷酸酶活性的研究主要集中于實驗室研究[12-16]或湖泊“藻華”[17-18],在河道型水庫“藻華”中的研究[19-23]相對較少.嘉陵江是重慶主城區重要飲用水源,藻類“水華”現象的發生勢必增加飲用取水的風險[24].本文以三峽水庫的重要支流嘉陵江出口段為研究區域,2011～2016年為研究時段,通過對總堿性磷酸酶活性(TAPA)、總藻(ALGAE)、溶解性正磷酸鹽含量(SRP)的測定,分析了三峽水庫正常運行后消落期水體中堿性磷酸酶活性特征及動力學特征,探討“磷營養狀態～堿性磷酸酶活性變化～藻華”之間的相關關系,對河道型水庫溶解性正磷酸鹽補償機制的研究提供借鑒.

1 材料與方法

1.1 材料

采樣點布置:在主城段布點,研究區域從磁器口開始,兩江交匯處結束,約17.6km;在流速為0～0.20m/s的富營養化敏感近岸區域共設5個采樣點見圖1.各樣點名稱及屬性見表1.

圖1 嘉陵江出口段布點Fig.1 Distribution of sampling sites of Jialing River Estuary

表1 嘉陵江出口段采樣點位屬性Table 1 Characteristic of sampling sites of Jialing River Estuary

1.2 水質指標及分析方法

1.2.1 SRP等水質參數測定 參照《水與廢水監測分析方法》(第四版)[25]進行實驗室測定.

1.2.2 TAPA測定 在50mL比色管中加入5mL水樣和5mL0.3mmol/L對硝基苯磷酸二鈉溶液,加入1mL Tris緩沖液調節(pH=8.4),在30℃的恒溫箱中培養6h;加入1mLGibbs試劑,將比色管稀釋至50mL刻度線,30min后在410nm波長處比色測定;用蒸餾水做對照.

1.3 數據處理

實驗數據的統計計算,采用SPSS統計軟件和EXCEL軟件進行.

酶反應速率最大值Vm及米氏常數Km的求法:每次以0.1,0.3,1.0,1.5,2.0,3.0mmol/L,6組對硝基苯磷酸二鈉溶液作為底物進行TAPA的測定,根據Michaelis-Menten方程,采用最小二乘法求出Vm和Km.

2 結果與分析

2.1 TAPA與ALGAE及SRP變化規律

圖2為2011～2016年TAPA均值的變化規律.每年12月～次年1月的冬春之交為全年水溫最低時期,TAPA逐漸下降,1月為全年最低水平,5個樣點TAPA均值為0.5～1nmol/(L·min).2月初水溫逐漸升高,TAPA有增加趨勢,緩慢上升至0.551～1.289nmol/(L·min).

圖2 各采樣點TAPA變化規律Fig.2 TAPA change of each sampling site

進入消落期后,TAPA為全年最高,3月重慶主城段水體水溫略高,硅藻及藍、綠藻等微生物生長旺盛,5個樣點TAPA均有較大幅度的變化,隨著水體流速增加,水溫上升,微生物活動頻繁,氮磷等營養元素的增加使TAPA迅速上升.從3月初的1.289～3.836nmol/(L·min)迅速上升至10.503～11.587nmol/(L·min).磁器口、化龍橋、大溪溝、朝天門4個樣點的TAPA相近,兩江交匯區略低.4月之后,隨著“藻華”跡象的消失TAPA也隨之降低至1.0nmol/(L·min)以下.直至9～10月隨著汛期的結束,TAPA再次升高.

堿性磷酸酶與磷轉化及藻類生長有密切關系.圖3和圖4為2011～2016年TAPA與溶解SRP及ALGAE均值的年變化規律圖.

圖3 各采樣點TAPA～ALGAE含量變化Fig.3 TAPA～ALGAE change of each sampling site

圖4 各采樣點TAPA～SRP含量變化Fig.4 TAPA～SRP change of each sampling site

從圖3、圖4中可以看出,每年消落期(3～5月)藻類、浮游植物,浮游動物等微生物量為全年最大時期,此時TAPA活性最強,SRP含量降至全年最低水平,為0.012～0.021mg/L,占TP含量的3%～6%.藻類等微生物在適宜的生境中迅速增殖需要消耗大量的SRP,當水體中SRP含量較低時,將誘導產生大量TAPA促進水體可溶性有機磷水解,釋放無機磷,供水體中生物吸收利用.因此,消落期(3～5月)時TAPA為全年最大,SRP則為全年最低.

進入汛期之后,“藻華”暴發現象消失,水流量加大,水體的沖刷稀釋作用加強,藻類等微生物活動受到抑制,TAPA下降,SRP含量上升.直到10月蓄水期之后,TAPA、藻類、SRP再次出現相同規律.

2.2 TAPA與ALGAE及SRP相關性分析

結合表2中的SPSS運算結果可知,SRP與TAPA和ALGAE均呈現出顯著相關.在每年消落期(3～5月)ALGAE數量出現峰值,在適宜的生境中藻類為了自身生長需要,消耗大量的SRP,因此SRP含量變化與ALGAE生長呈反相關(r=-0.815＜0,P=0.001),藻類等微生物為了維持自身生命活動而分泌大量TAPA將其他形式的磷源礦化為能夠被自身利用的SRP,因此,TAPA也最大,與ALGAE呈現顯著正相關(r=0.809＞0, P=0.001).進入汛期之后,“藻華”現象消失,ALGAE數量降低至104個/L以下,水文條件的改變使得藻類活動受到抑制,汛期水體中SRP含量的增加已經能夠完全滿足藻類生長的需要,藻類不需要額外分泌酶活礦化其他形式的磷源,因此TAPA隨之降低.

表2 TAPA、ALGAE與SRP相關性分析Table 2 Correlation analysis of TAPA, ALGAE and SRP in each sampling site

2.3 堿性磷酸酶活性的動力學特征

圖5反應出各采樣點米氏常數Km與最大酶反應速率Vm隨時間變化規律.

圖5 各采樣點動力學參數Km與Vm變化規律Fig.5 Variation of Km and Vm of each sampling site

表3 各樣點與Km和Vm的相關性分析Table 3 Correlation analysis of Km and Vm at each sampling site

特征參數Vm和Km值的變化規律驗證了TAPA變化的空間和時間的異質性.結果表明,消落期各樣點Km為600～1500μmol/L;Vm為1.50～16.0nmol/(L·min),Vm隨Km的降低而增加.每年3月,各樣點Km為消落期最低,均值為850.32μmol/L,同期Vm均值則高達11.02nmol/(L·min).磁器口右岸水體TAPA具有更高的催化效率(該區域具有更大的Vm和Km值),在消落期(3～5月)該區域迅速增殖的藻類等微生物更易分泌更多的TAPA將可溶性的DOP水解礦化為可被吸收的SRP,彌補水體中可利用磷素含量的不足(SRP=0.01mg/L),為藻類等微生物生長提供充足的SRP.表3中Km與Vm呈現顯著負相關說明水體進入3月后,各樣點堿性磷酸酶對底物的親合力增高,酶的水解效率有了顯著提升,且磁器口樣點有比其他樣點更高的催化效率,兩江交匯區堿性磷酸酶的催化效率最低.

綜上,每年消落期,SRP含量極低時,藻類等微生物為了維持自身生命活動的繼續因而分泌大量堿性磷酸酶將其他形式的磷源礦化為能夠被自身利用的溶解性磷態.其他學者的研究[26-31]也指出在溶解性正磷酸鹽低于某特定值時,TAPA才會迅速升高,雖然SRP的這個特定值可能會受到其他外界條件的影響而出現較大出入.水體中由藻類等微生物合成分泌的堿性磷酸酶礦化磷源的過程是一個復雜的抑制～誘導過程,可能從提高TAPA的反應速率Vm和增加對底物的親和力Km值這兩個途徑來提高磷素的利用率,這是浮游生物改善水體缺磷狀況的一種策略,同時也為“藻華”的形成創造了前提條件.

3 結論

3.1 三峽庫區穩定運行后,水環境因素以水利年為周期循環變化,堿性磷酸酶與磷轉化及藻類生長有密切關系.消落期(3～5月)時TAPA為全年最大,與ALGAE顯著正相關(r=0.809＜0, P=0.001);SRP為全年最低,TAPA與SRP顯著負相關(r=-0.803＜0,P=0.000).進入汛期之后,“藻華”暴發現象消失,TAPA下降,SRP含量上升.

3.2 消落期TAPA在動力學上表現為最大酶反應速率Vm的驟增和酶反應米氏常數Km的驟減.Vm和Km值的變化規律驗證了藻類暴發期各樣點堿性磷酸酶對底物的親合力增高,酶的水解速率有了顯著提升,磁器口樣點有比其他樣點更高的催化效率,兩江交匯區堿性磷酸酶的催化效率最低.

3.3 在消落期時,迅速增殖的藻類等微生物分泌更多的堿性磷酸酶將可溶性的DOP水解礦化為可被吸收的SRP,彌補水體中可利用磷素含量的不足,為藻類等微生物生長提供充足的SRP,以利于在適宜的生境中迅速增殖.

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