綠藻消亡過程對上覆水磷形態含量的影響

蔡婕 韓超南 孫寧寧 嚴格

摘 要：以太湖沉積物樣品和濃縮綠藻等為試材進行室內柱培養實驗，研究綠藻消亡分解條件下上覆水pH、溶解氧（DO）、總磷（TP）、總溶解態磷（TDP）和活性磷酸鹽（PO3-4）等含量的動態變化。結果表明，厭氧培養下綠藻等死亡速率相比好氧培養更快，且藻體消亡過程中耗O2產CO2、釋放小分子有機酸作用使之上覆水DO、pH明顯下降。“空白-好氧”組上覆水PO3-4、TDP含量在1～20 d內明顯上升，說明好氧條件下沉積物仍會釋放部分磷進入上覆水;“加藻-好氧”組PO3-4含量在10～20 d內才升高，主要因培養后期綠藻死亡分解釋放磷而引起;“加藻-厭氧”組PO3-4、TDP含量變化較小，可能與后期藻體殘渣、懸浮物質吸附PO3-4作用有關，后續需進一步深入探討。研究表明，綠藻分解能明顯降低水體DO、pH，且能釋放磷進入水體，但不同培養條件綠藻分解釋放磷的時期有一定差異。

關鍵詞：綠藻;藻體分解;上覆水;磷形態;溶解氧

中圖分類號：X524 ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2021）01-0028-04

Abstract：Sediment samples and concentrated green algae from Taihu Lake were used as experimental materials for indoor column culture. Under the influence of algae decomposition， the dynamic variations of pH， dissolved oxygen （DO）， total phosphorus （TP）， total dissolved phosphorus （TDP） and active phosphate （PO3-4） in overlying water were studied. The results showed that the death rate of green algae in anaerobic culture was faster than that in aerobic culture. The process of algal death gradually consumed oxygen， produced carbon dioxide and even released small molecular organic acids， which made the DO and pH in overlying water of “algal anaerobic” group decrease obviously. During the column culture period （1-20 d）， the concentrations of PO3-4 and TDP in overlying water of “blank aerobic” group increased significantly， indicating that parts of sediment phosphorus were released into the overlying water under aerobic culture environment. Whereas PO3-4 concentrations in overlying water of “algae aerobic” group only increased within 10-20 d， which was mainly caused by phosphorus release from algae decomposition in the later stage of column culture. Relatively， PO3-4 and TDP concentrations in overlying water of “algal anaerobic” group in the 10-20 d changed little. These may be related to the adsorption of PO3-4 by algae residue and suspended matter in overlying water during the later stage of column culture， which needed further study. The study indicated that green decomposition could obviously reduce DO， pH in water and release phosphorus into water， but there were some differences in the period of phosphorus release under different culture conditions.

Keywords：Green algae; algae decomposition; overlying water; phosphorus forms; dissolved oxygen

0 引言

磷是水體不可或缺的限制性營養元素，對于水環境中各類能量循環有著重要作用。當水環境中含磷量過多時，水體容易趨于富營養化，藻類吸收氮、磷營養鹽而過量繁殖，形成大面積的水華，引起水質惡化而威脅飲用水供水安全[1]。水華消退時期，大量藻類死亡分解會釋放氮、磷等物質進入水體[2]，同時也將驅動沉積物與水體間磷、鐵等元素遷移轉化[3]，從而破壞了水體原本的生態系統平衡。因此，水華暴發過程和消亡過程直接影響或參與水環境中磷循環。

近年來水華生消對水體磷循環的影響已逐漸成為當前研究的熱點。研究表明，藍藻水華消亡分解不僅可以直接釋放磷營養物質，而且可以通過產出硫化物來間接促進沉積物鐵結合態磷的還原釋放[4]。實際上除湖泊藍藻水華之外，綠藻、裸藻和隱藻等水華在淡水養殖的池塘中常有發生，對養殖生產造成較大的損失[5]。目前針對藍藻水華生消過程引起的生態效應研究較多[6-7]，而對綠藻、裸藻和小球藻等藻體死亡分解對水環境的影響研究鮮有報道。本研究通過室內柱培養實驗，研究混合藻體（綠藻、裸藻、柵藻）消亡過程中水體多種磷形態含量的動態變化，以探討綠藻等藻體分解對沉積物-水環境中磷遷移轉化的影響，為水產養殖池塘水華防控提供科學依據。

1 實驗設計和測定

采用有機玻璃圓柱（高50 cm、直徑9 cm），在實驗室搭建“藻-水-沉積物柱培養體系”。實驗所用沉積物材料取自太湖湖底，去除雜質后充分混合備用。購置綠藻、柵藻和裸藻的混合藻種，經離心濃縮后作為藻體材料。柱體下部裝入厚約12 cm沉積物層，上部注入高約18 cm去離子水，裝好12根后靜置平衡2周（圖1）。實驗共設置“空白-好氧” “加藻-好氧” “加藻-厭氧”3組培養條件（每組4根柱子），3組柱體中分別加入濃縮藻體0、2.5、5 mL，前兩組上部敞口好氧培養，后一組上部封蓋厭氧培養，培養20 d。

分別于第1、5、10、20 d，采用多參數水質分析儀測定3組上覆水的pH、溶解氧（DO）和水溫，同時吸取部分上覆水樣備用待測。取一定體積的上覆水經0.45 μm濾膜過濾，過濾水樣、原水樣采用“過硫酸鉀消解+鉬銻抗分光光度法”[8]分別測定總溶解態磷（TDP）、總磷（TP）含量;過濾水樣采用“鉬銻抗分光光度法”[8]測定磷酸鹽（PO3-4）含量;過濾后的濾膜經90%丙酮溶液提取后采用分光光度法[9]測定葉綠素a（Chla）含量。將水體TP與TDP含量差值作為水體總顆粒態磷（TPP）含量。

2 結果與討論

2.1 上覆水水質參數的變化特征

柱培養期間，上覆水Chla、DO和pH的變化情況如圖2所示。從藻體投加至第20 d，兩個加藻組上覆水Chla含量均逐漸降低至0 mg/L，其中厭氧培養下的“加藻-厭氧”組藻體在1～10 d內的死亡速率大于“加藻-好氧”組。隨著氣溫的降低，柱培養體系中上覆水的水溫逐漸從19 ℃降至7.6 ℃。由于水溫降低，大氣中O2向水體滲透增加，從而“空白-好氧” “加藻-好氧”組上覆水DO含量在1～20 d緩慢升高至7.8 mg/L。“加藻-厭氧”組上覆水DO含量在1～10 d內從4.4 mg/L降至2.9 mg/L。1～10 d內“加藻-厭氧” 組藻體迅速死亡，呼吸作用會消耗水體O2，這應該是造成該組上覆水DO降低的原因。

從pH變化來看，“加藻-厭氧”組的加藻量最多，培養初期（1～5 d）其上覆水pH大于“加藻-好氧” “空白-好氧”組，但培養后期（10～20 d）其上覆水pH卻小于“加藻-好氧” “空白-好氧”組。培養后期，藻體消亡過程中不僅會消耗水體O2產生CO2[10]，而且還會分解釋放小分子有機酸類物質[11]，從而使得“加藻-厭氧”組柱體系上覆水pH明顯下降。

2.2 上覆水磷形態的變化特征

柱培養期間，上覆水磷形態含量的變化情況如圖3所示。培養期間上覆水TP含量由大到小依次為：“加藻-厭氧”（0.15～0.23 mg/L）、“加藻-好氧”（0.09～0.12 mg/L）、“空白-好氧”（0.03～0.08 mg/L），而上覆水TDP、PO3-4含量分布與TP相反。3組柱體系上覆水磷形態組成差異較大，“空白-好氧”組上覆水以TDP為主要磷形態，TDP占TP含量組成的50%～100%。然而，“加藻-厭氧”和“加藻-好氧”組上覆水以TPP為主要磷形態，TPP占TP含量組成的86%～97%和52%～92%。對比來看，藻體投加是引起“加藻-厭氧” “加藻-好氧”組上覆水TPP及TP含量較高的主要原因。

“空白-好氧”組上覆水TP含量在1～20 d內呈緩慢上升特征，主要由其TDP、PO3-4含量升高所引起。這說明，好氧環境下，柱體系中沉積物仍然釋放了部分磷進入上覆水。對于“加藻-好氧”組上覆水TP含量在1～20 d變化不大，TDP含量波動上升，PO3-4含量則先下降后上升。培養初期（1～10 d），投加的綠藻等藻體需要吸收PO3-4以維持自身生存[12]，從而造成“加藻-好氧”組上覆水PO3-4含量下降;在培養后期（10～20 d），約90%的投加藻體已消亡，除了沉積物釋放磷之外，藻體分解過程會釋放部分PO3-4和TDP[13-15]，從而造成“加藻-好氧”組PO3-4含量又升高。

“加藻-厭氧”組上覆水TP含量在1～20 d內呈下降特征，主要是由藻體消亡沉降引起TPP含量降低而造成的。“加藻-厭氧”組投加藻量是“加藻-好氧”組的2倍，但在培養后期藻體消亡分解并沒有導致“加藻-厭氧”組TDP、PO3-4含量明顯升高，原因可能是藻體殘渣、懸浮物質對上覆水PO3-4的吸附作用所引起[16-20]，具體還需要后續進一步深入研究。

3 結論

（1）厭氧培養下，投加綠藻等在1～10 d內的死亡速率大于好氧培養組，且藻體消亡過程中呼吸耗O2產CO2、釋放小分子有機酸作用導致上覆水DO含量、pH明顯下降。

（2）1～20 d內“空白-好氧”組上覆水PO3-4、TDP含量呈明顯上升特征，說明好氧環境中沉積物仍釋放了部分磷進入上覆水。

（3）培養初期（1～10 d）綠藻等吸收PO3-4維持生存導致“加藻-好氧”組上覆水PO3-4含量下降，后期（10～20 d）PO3-4、TDP含量又上升，主要由綠藻等消亡分解釋放磷所致。

（4）培養后期（10～20 d）藻體分解釋磷作用下，“加藻-厭氧”組上覆水PO3-4、TDP含量并未明顯升高，可能與藻體殘渣、懸浮物質吸附PO3-4作用有關。

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