湖底沉積物有機(jī)磷的釋放(共17頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 湖底沉積物中有機(jī)磷的釋放1、 引言P作為一種營養(yǎng)物質(zhì)在水環(huán)境中的重要性很好去理解，近些年，有機(jī)磷化合物作為有活性的磷的一種形態(tài)，其重要性也引起了人們的關(guān)注。有機(jī)磷化合物，易被視為是難降解的磷的一部分，而現(xiàn)在已知的其所含有的許多不穩(wěn)定的種類可能在水體磷的循環(huán)中起著重要的作用。在多數(shù)水環(huán)境中，沉積物在磷循環(huán)中起著重要的作用，因?yàn)樗梢詢Υ媪艘淮蟛糠謴乃w沉淀下來的P，無論是暫時的還是長久的。暫時儲存的P最終會被水體吸收。在一些磷輸入量大且易于沉淀的地方，底泥的磷循環(huán)可能會大于河流表體。最近一些研究表明，有機(jī)磷化合物在水體富營養(yǎng)化中有著很大貢獻(xiàn)，因此，研究控制底泥磷釋放的

2、因素顯得尤為重要。一些關(guān)于無機(jī)磷化合物的研究已被提出，然而關(guān)于特定的有機(jī)磷化合物的成巖作用及潛在的遷移性方面的研究卻很缺乏。因此研究影響底泥有機(jī)磷遷移運(yùn)動的因素是非常必要的。然而，這些機(jī)制在自然條件下很難監(jiān)測，一些具體數(shù)據(jù)通過實(shí)驗(yàn)室的控制實(shí)驗(yàn)來獲取。實(shí)驗(yàn)室研究了不同條件下底泥磷的釋放，可以得知磷的潛在的遷移量，但是無法辨別是哪種形態(tài)的P釋放。磷核磁共振波譜（31P NMR）技術(shù)可以區(qū)分不同種類的有機(jī)磷化合物，因此被用來檢測哪種形式的磷在試驗(yàn)中從底泥中消失或減少了。通過操縱P釋放實(shí)驗(yàn)，我們可以知道對在不同條件下哪種有機(jī)磷可以短期或長期存儲在底泥里。利用31P NMR技術(shù)，我們可以識別不同磷化合物

3、在不同氧水平下的遷移性，因?yàn)檠趸€原條件是底泥P遷移運(yùn)動的主要驅(qū)動力，包括內(nèi)部負(fù)荷。另外，我們也對微生物種群進(jìn)行了調(diào)查，因?yàn)榫拖裱趸€原條件一樣，微生物活動也很可能很大程度上影響P的運(yùn)動轉(zhuǎn)化。這些過程確實(shí)是緊密聯(lián)系在一起的，例如細(xì)菌在還原條件下P的釋放，這個過程在缺氧條件下可能會引起很大部分P釋放出來。此外，細(xì)菌通過其所含電子受體接受電子來利用和分解有機(jī)質(zhì)的事實(shí)，這說明氧化還原作用起到關(guān)鍵作用，也反映了微生物的活性。溫度是影響底泥生物過程的另一個重要參數(shù)，底泥負(fù)荷隨季節(jié)性而變化就可以證明此觀點(diǎn)，這可能是由于隨著溫度的升高，有機(jī)質(zhì)在微生物作用下發(fā)生了礦化現(xiàn)象。溫度的升高，除了會影響底泥中有機(jī)磷的

4、礦化，同時也會增強(qiáng)無機(jī)磷的釋放。我們進(jìn)行了在不同場景下的模擬實(shí)驗(yàn)，將底泥設(shè)置為不同的氧氣水平、不同溫度以及在加入葡萄糖（高活性）或福爾馬林（低活性）下不同微生物活性。這些添加物用來調(diào)查微生物種群的影響，尤其是能否區(qū)分不同種類的磷是發(fā)生了生物降解還是化學(xué)降解，因?yàn)樘砑拥钠咸烟强梢詾榈啄嘀形⑸锾峁┥L基質(zhì)，促進(jìn)磷的生物降解。這樣一方面會使得礦化作用和磷的釋放增加，另一方面會增強(qiáng)P的吸收。如果微生物種群有限，那么將會有較少的P釋放。相反地，在沉積物中添加甲醛是用來終止微生物的活性的，使得化學(xué)分解成為主要過程。添加葡萄糖和甲醛同時分別在高和低的氧氣水平下都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以此來研究氧化還原電位對微生物種

5、群的潛在影響。2、 材料與方法 2.1 樣品和實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)這項(xiàng)研究中，底泥沉積物來自中度富營養(yǎng)化的Erken湖，在實(shí)驗(yàn)室條件下，用于后續(xù)潛在的程巖變化。該湖面積24平方公里，平均水深和最大深度分別是9m和21m，其水體的TP平均濃度是27ug/L。其流域面積137Km2 ,大部分是深林和營養(yǎng)豐富后冰河泥土層。在夏季分層，湖底水體偶爾會變?yōu)槿毖鯛顟B(tài)。該湖泊已被廣泛研究，認(rèn)為該湖已進(jìn)入一個穩(wěn)定的營養(yǎng)狀態(tài)。使用重錘取樣器（Willner取樣器）在16m水深的50區(qū)域里取了12個沉積物樣品。把0-1cm的泥層收集、合并，使其均質(zhì)化后獲得足夠大的代表性樣品用于實(shí)驗(yàn)。此樣品中干重泥樣的TP濃度為2.0mg/g

6、、含水量93%、有機(jī)質(zhì)含量為200mg/g以及Fe含量為24mg/g。此外，湖底水體pH在7-7.5范圍內(nèi)變化。 2.2 實(shí)驗(yàn)室裝置上述獲得的沉積物樣品劃分出20個各15g的子樣本，分別裝進(jìn)沉積室（如圖1）并注入水。不同特征的水被泵以0.3L/d的速率從下方穿過沉積物注入到沉積室里，設(shè)置流速緩慢并且使得流量對沉積物的物理影響作用最小，即沒有松動或壓實(shí)作用。將沉積物樣品在不同條件下處理，即好氧/缺氧條件、不同溫度條件（4/20）以及加入葡萄糖（1%）/甲醛溶液（3.7%）下的好氧/缺氧條件（20）。溫度的選擇是模擬湖底沉積物表面最高和最低的環(huán)境條件。溶氧條件主要通過氧化還原電位的測量，并使用還原

7、劑（亞硫酸鹽）來校正。好氧條件被認(rèn)為是進(jìn)水與周圍空氣達(dá)到平衡，缺氧則是氧化還原電位低于0mv時。在整個試驗(yàn)過程中，要確保正確且一致的氧濃度、pH值以及添加劑的濃度，所有方案中pH值均為7。每個樣品處理均設(shè)為三個平行樣，除了添加葡萄糖和甲醛溶液外，因?yàn)榭瞻卓刂剖侵貜?fù)的。每天一次采集各個子樣本的污水進(jìn)行磷酸鹽和TP的分析，計(jì)算試驗(yàn)過程中磷的釋放。TP（用1mol HCl于120消解1h）和磷酸鹽含量根據(jù)Murphy-Riley法進(jìn)行分析。試驗(yàn)進(jìn)行21天，將沉積物從沉積室腔室中取出提取并進(jìn)行核磁共振分析。 Fig. 1. Schematic picture of the sediment chamb

8、er. 沉積室示意圖 2.3 堿法提取用31P NMR技術(shù)分析的所有樣品都要經(jīng)過預(yù)提取，用0.067mol的EDTA（二鈉鹽）處理1h，目的是為了提高提取率。預(yù)提取后，經(jīng)沉淀分離EDTA溶液后在4000rpm（轉(zhuǎn)）離心10分鐘，剩余的沉淀物在室溫下用0.1mol的NaOH經(jīng)16h后提取，NaOH提取液經(jīng)離心分離。所有的提取物與溶劑配成1:3。在35下經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)把樣品濃縮10倍。濃縮的提取物進(jìn)行冷凍保存直到進(jìn)行分析，經(jīng)驗(yàn)證明這樣不會影響到提取的磷化合物。采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）測定提取物中的TP。 2.4 核磁共振分析31P NMR技術(shù)是使用Varian mercur

9、yplus核磁共振光譜測定儀在121.5MHz條件下進(jìn)行測定。測量前向提取物中加入足夠量的D2O使得其測定時可獲得穩(wěn)定的信號。光譜記錄使用63個觀察脈沖，獲取時間為0.4s，1.2s的延遲時間，獲取3000左右的瞬變值（12h）?；瘜W(xué)變化可間接地參考外部85%的H2PO4(=0.0)的穩(wěn)定信號。沉積物提取物中加入標(biāo)準(zhǔn)液（Na2HPO4.7H2O正磷酸鹽和Na2P2O7.10H2O焦磷酸鹽）后測定其光譜觀察吸收峰的分布，并與文獻(xiàn)比較（,and)。為了獲得峰的面積，原始峰譜信噪比超過4，具有洛倫茲形狀，采用NMR軟件子程序(Vnmr 6.1C)。從這些峰的地區(qū)，個別磷化合物的貢獻(xiàn)計(jì)算其相對的P的總

10、提取量。EDTA的預(yù)提取不適合做31P NMR技術(shù)分析，因?yàn)镻濃度太低以及高濃度的順磁金屬如Fe、Mn會產(chǎn)生干擾。而我們認(rèn)為經(jīng)EDTA提取后結(jié)合金屬Fe、Al的主要是無機(jī)磷。3、 結(jié)果經(jīng)不同處理的沉積物樣品間，其磷酸鹽和總磷的累積釋放表現(xiàn)出相似的趨勢，磷酸鹽的釋放約為TP的50%。例外的是4處理時的沉積物其P釋放相對較少，釋放的都是磷酸鹽。表1，平均值包括標(biāo)準(zhǔn)差都是基于復(fù)制或三份分析，確定的磷化合物組，百分率用斜體表示，以及TP和磷酸鹽的積累釋放。Table.1 圖a.b所示，隨試驗(yàn)裝置的運(yùn)行所測得污水中P的總積累釋放量。用20和4分別表示20、4。當(dāng)沒有出現(xiàn)數(shù)字時，溫度為20。Ox和Anox

11、分別被用來表示氧水平好氧狀態(tài)和缺氧狀態(tài)；用glu和form來表示添加葡萄糖或者甲醛溶液。從圖中可以看出，大多數(shù)沉積物樣品的P釋放在試驗(yàn)終止時也會停止釋放(圖2a和b)。有三種缺氧處理的樣品例外（分別是甲醛、葡萄糖、20的條件），它們在試驗(yàn)終止時仍然會繼續(xù)有P的釋放。這三種處理方法也表現(xiàn)出最高的沉積P的釋放，葡萄糖處理下對應(yīng)的P的釋放率超過了75%。相比之下，經(jīng)20的好氧處理的子樣品其P釋放率只有10%而已。在不同的處理方法下，累積TP的釋放范圍是10-1600ug/g，而累積磷酸鹽釋放范圍是20-700ug/g(圖2b)?？偭缀土姿猁}釋放的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差一般在1030%。原始沉積物干重樣品中可提

12、取0.9mg/g的P，可被分為7組：正磷酸鹽(Ortho-P)、磷酸單酯(Mono-P)、三組不同的磷酸二酯、DNA-P、磷脂質(zhì)(P-lipids)（可能的磷壁（酸）質(zhì)（Teichoic-P），但這也有可能是另外一種磷脂的結(jié)果）、焦磷酸鹽(Pyro-P)、多磷酸鹽(Poly-P)。在一些光譜中Pyro-P峰附近會出現(xiàn)額外的峰可能表明Poly-P末端基團(tuán)的存在。Fig. 3. Typical solution 31P NMR spectra from the various set ups, including the original.在曝光后，在大多數(shù)子樣本中均能發(fā)現(xiàn)這7組P的成分。添加葡萄

13、糖的缺氧子樣本是個例外，發(fā)現(xiàn)其Pyro-P消失了。經(jīng)甲醛處理過的樣品中，好氧子樣品缺少了Teichioc-P, 磷脂質(zhì)（P lipids）和DNA-P；而缺氧子樣品缺少磷脂質(zhì)（P lipids）, DNA-P and 聚磷酸-P（Poly-P）（表1，圖3）。含糖的缺氧子樣品和含甲醛的好氧子樣品，在曝光后，干重中只有500ugP/g。這與兩個好氧子樣品形成了對照，在沒有添加物下，該兩個樣本幾乎沒有釋放磷，初始0.9mg/g的干重P濃度依然被存在。經(jīng)不同處理后的子樣本中磷化合物的組成由很大差異（表1，圖3）。一般來說，正磷酸鹽(Ortho-P)和磷酸單酯(Mono-P)的濃度最高，并且大多數(shù)樣品

14、中前者高于后者。與此不同的是，葡萄糖子樣品和20缺氧處理的子樣品中磷酸單酯(Mono-P)的濃度最高。在不普遍的磷化合物中，聚磷酸-P（Poly-P）在沒有添加物的好氧處理中占優(yōu)勢，在其它大多數(shù)組中DNA-P濃度常常是第三高的。與原始樣相比，聚磷酸-P（Poly-P）濃度一般都會下降，只有4時的好氧處理的聚磷酸-P（Poly-P）濃度保持不變；另外，正磷酸鹽(Ortho-P)和磷酸單酯(Mono-P)的濃度是普遍增高的。關(guān)于樣品中小成分，與原始樣最大的不同是添加甲醛后的Pyro-P的變化。另一方面，Teichoic-P僅僅發(fā)生微小的變化（表1，圖3），除了添加甲醛的好氧處理中該物質(zhì)的消失。除了

15、添加甲醛的好氧處理的標(biāo)準(zhǔn)偏差較高外，一般情況下，大多數(shù)子樣本中不同的磷化合物變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差均在10-15%范圍內(nèi)（表1）。采用GLM（廣義線性模型）在Minitab中對影響結(jié)果的因素進(jìn)行了方差分析(Minitab inc., State College, PA, USA)。這些研究表明，在所有情況下，除了正磷酸鹽(Ortho-P)和磷酸單酯(Mono-P)外，使用添加劑設(shè)置的不同的治療方法所確定的磷化合物組之間關(guān)于氧化水平有明顯的差異。相比之下，只有聚磷酸-P對溫度的選擇可表現(xiàn)出明顯的差異（表2）。需要注意的是雖然用添加劑作單因素方差分析，但是研究的這兩種添加劑卻對沉積物中有機(jī)磷化合物組的構(gòu)成

16、有著很大影響。表2： 對所確定的化合物根據(jù)其對不同實(shí)驗(yàn)設(shè)置變量（溫度、氧水平、添加物）的依存關(guān)系進(jìn)行方差分析。星星（1、2或3）表示5%、1%和0.1%的顯著性水平（p值為0.05、0.01、0.001）。結(jié)果如下： 為了便于解釋表2中的個別磷化合物組，采用7.6版本的主成分分析（PCA）來進(jìn)行。PCA使用個別化合物自動定標(biāo)數(shù)據(jù)，PC1、PC2分別描述38%和29%的變化（圖4）.為了闡明影響因素對主成分的影響，對個別磷化合物的評分值進(jìn)行方差分析。根據(jù)結(jié)果，PC1表述了添加劑（p0.001）的影響，PC2主要表述氧水平(p0.001)的影響，同時一定程度上也表述了添加劑(p=0.006)的影響

17、。在圖4a中沿著PC1，可以發(fā)現(xiàn)添加劑分組的情況，往裝置中添加甲醛的在左邊，添加葡萄糖的在右邊，沒有添加物的在中間。相應(yīng)的差異可以載荷圖（圖4b）中看出，添加甲醛能誘導(dǎo)高濃度的正磷酸鹽(Ortho-P)和磷酸單酯(Mono-P)但低濃度的Lipid-P（磷脂質(zhì)）, DNA-P 和 Mono-P（磷酸單酯）。雖然氧氣條件對PC2的評分值有很大影響，但由于添加劑的并發(fā)影響使得在評分圖（圖4）中沒有明顯的分組現(xiàn)象。Fig.4. 從沉積物中提取的有機(jī)磷組分經(jīng)不同處理后的主成分分析。圖4a顯示的是PC1和PC2的評分圖，坐標(biāo)軸表示方差（%），而圖4b表示的是對應(yīng)的圖4a的負(fù)荷。評分圖表示不同處理方式之間

18、的差異性，而負(fù)荷圖表示的是對有機(jī)磷化物的依存性。4、 討論 4.1 總體來說釋放這項(xiàng)研究表明，特定的有機(jī)磷化合物可以反映微生物種群。如當(dāng)微生物量降低時，磷酸二酯（DNA-P、磷脂質(zhì)和磷壁酸）都消失了，這表明這些磷化合物的微生物來源。從與原始樣本比較中，就個別的磷化合物組來說，可以看出在各種處理中P的減少主要來自聚磷酸P，先前的研究也可以證實(shí)聚磷酸P很容易從沉積物中釋放。這說明在任何的研究條件下沉積物都不會有聚磷酸P的凈產(chǎn)生量。同時，轉(zhuǎn)而說明沉積物中Poly-P的發(fā)現(xiàn)在很大程度上會在水體中殘留，正如對Erken湖的早期研究，也支撐了Hupfer等人對歐洲22個湖泊的研究結(jié)論。應(yīng)該指出的是，處理時

19、的環(huán)境參數(shù)和在4的好氧處理最相似。這種處理因此在許多方面被認(rèn)為可作為一個控制處理，關(guān)于試驗(yàn)中有機(jī)磷組分的釋放和構(gòu)成的結(jié)論也可能被與原始沉積物樣本和4好氧處理比較。 4.2 氧氣水平相比好氧處理，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了在缺氧條件下的一個重要結(jié)果。缺氧處理會誘發(fā)更多的磷釋放，尤其是在添加葡萄糖情況下。我們的研究結(jié)果表明（1941）的假設(shè)：缺氧條件下內(nèi)部P的釋放是源自于Fe-P化合物的溶解，這易與因礦化作用的磷釋放混淆。一部分磷酸鹽可能源自聚磷酸-P的礦化，通過分析得到在一些處理中聚磷酸P濃度顯著降低，釋放的磷被證明其組成了磷酸鹽。然而應(yīng)該注意的是，在用鉬酸鹽分析時，有一部分磷是可能是由于水解產(chǎn)生的。與好氧處理

20、相比，低濃度的活性聚磷酸P和磷脂質(zhì)在缺氧處理時的表現(xiàn)反映了沉積物在自然缺氧條件下的P的顯著釋放能力。缺氧條件下，由聚磷酸P和磷脂質(zhì)產(chǎn)生的大量的中間產(chǎn)物如Pyro-P and Mono-P，這很可能表明缺氧條件下降解的程度更高。實(shí)驗(yàn)室特意選擇適當(dāng)?shù)娜毖鯒l件，是為了確定所有出現(xiàn)的自然條件被覆蓋其中，如夏季可能出現(xiàn)的停滯期（淤塞）。這可能意味著對有機(jī)磷化合物的影響比在湖中時的略大，但是其降解和釋放的原則是一樣的。4.3 溫度在低溫處理時，磷酸鹽和總磷都表現(xiàn)出最低的釋放量，這說明這種情境下微生物的活性被限制。這種情況下，雖然核磁共振的結(jié)果表明4時微生物的活性很低，但是在Poly-P和Pyro-P之間存

21、在著轉(zhuǎn)化。除此之外，Pyro-P似乎也表現(xiàn)出獨(dú)立增加性，這就更難以解釋了。比較在4下和20下的處理，可以發(fā)現(xiàn)在初始階段溫度越高，就有更多的Poly-P被去除。這可能是由于較高的礦化率所致，與內(nèi)部負(fù)荷隨季節(jié)變化的特點(diǎn)一致，就像曾報(bào)道的那樣。然而，溫度對P釋放的影響并沒有氧水平對其的影響大，雖然較高溫度下有稍快的釋放（圖2，a和b） 4.3 福爾馬林（甲醛溶液）在添加甲醛的缺氧處理中，磷酸鹽只占總釋放量的20%，這表明沉積物中大量的磷損失了（可能是來自有機(jī)磷形式）。這與事實(shí)相符，即甲醛殺死微生物導(dǎo)致沉積物中這些形式的P的釋放。因此，在這種處理下，包括無機(jī)磷如鐵結(jié)合態(tài)P在內(nèi)，還有微生物P都釋放到水體

22、中，如磷酸鹽和生物酶P。然而在所有含添加物的處理都顯示出Poly-P大量減少，只有在那些添加甲醛的處理中顯出出DNAP和磷脂質(zhì)的缺少。除此之外，在添加甲醛的好氧處理中也表現(xiàn)出除Pyro-P外所測量的所有磷形式都呈下降趨勢，這很有可能反映出Poly-P物在分解過程中的一個中間步驟。這說明了大多數(shù)的Poly-P都與微生物量有關(guān)，但是就像所有的處理不會有Poly-P的凈產(chǎn)生一樣，這并不影響我們的假設(shè)即沉積物中的Poly-P主要來于水體。然而有機(jī)磷、Poly-P、Pyro-P的化學(xué)分解在某個確定的環(huán)境下是顯著的，當(dāng)然，這并不是說經(jīng)添加甲醛處理后的所有的改變都是由于純粹的化學(xué)過程所致。更可能的場景是，在這些處理中具有活性的Poly-P、DNA-P 和磷脂質(zhì)的缺少恰恰反映出微生物量的減少，這是由于甲醛具有毒性，而各種細(xì)菌也經(jīng)常含有這些種類的P。當(dāng)這些細(xì)菌死后，它們在這種毒性環(huán)境中不會被降解和循環(huán)，取而代之的是它們將會隨著水流而被從沉淀室中沖出來。在好氧條件下的磷酸單酯(Mono-P)的減少，可能反應(yīng)的是化學(xué)分解，因?yàn)檫@類化合物是難以進(jìn)行快速微生物降解的，如肌醇六磷酸。 4.5 葡萄糖 在添加葡萄糖條件下，與原始樣品相比最明顯的變化是好氧和缺氧處理下存在正磷