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浅水湖泊富营养化过程中胞外酶动力学的变化模式及其在藻类演替中的作用
肖健
Subtype博士
Thesis Advisor周易勇
2018
Degree Grantor中国科学院水生生物研究所
Abstract湖泊富营养化已成为目前我国最为严重的水环境问题之一,其本质在于营养元素氮和磷等的过量输入。富营养化常导致浅水湖泊浮游植物的大量繁殖与增长,最后形成水华,极大地制约了工农业和休闲娱乐用水的可持续发展,甚至威胁到饮用水的安全。水体氮和磷营养的输入与去除途径较多,且氮循环与磷循环常相互偶联,致使二者在生物地球化学循环过程中交互影响的方式趋于多样。此外,水中氮磷营养的格局常与浮游植物群落组成密切相关,胞外酶可催化营养从有机态向无机态的转化,故为浮游植物生长的重要组成部分,且为联系氮与磷化学计量学和湖泊营养状态的重要因素。然而,有关酶促水解反应随氮磷营养及其化学计量学变化模式的研究非常有限,酶促水解机制在蓝藻水华发生与藻类演替中的作用亦远未得到充分的阐明。本文以长江中下游大小与营养状态明显有别的浅水湖泊(青菱湖、巢湖、东湖等)为对象,以水体营养格局、浮游植物群落组成、多种胞外酶动力学行为以及沉积物酶活性变化等为基础,结合胞外酶荧光标记技术,系统研究了胞外酶的动力学行为在湖泊营养状态转换和浮游植物种群演替中的作用,探讨了胞外酶动力学行为在浅水湖泊富营养化过程中的变化模式。主要研究结果如下:1. 2013年6月至2014年10月逐月采样分析了青菱湖清水区与浊水区不同形态氮与磷的浓度、氨肽酶(LAP)与碱性磷酸酶(AP)动力学参数与浮游植物群落组成。结果显示,与清水区相比,浊水区不同形态磷浓度与叶绿素a(Chl a)含量均显著较高,总氮比总磷(TN/TP)、硝态氮比总磷(NO3-/TP)与亚硝态氮比总磷(NO2-/TP)均显著较低,暗示磷的增加一方面促进浮游植物的生长,另一方面引起氮的相对缺乏。与此同时,浊水区有机氮周转时间(LAPT)明显较低,氨肽酶最大反应速度(LAPVmax)明显较大,表明浊水区无机氮再生较快。这种变化模式可由不同形态N/P和溶解无机态氮比总氮(DIN/TN)均与营养状态指数(TSI)显著负相关(TN/TP,r=-0.8173,P<0.01;DIN/TP,r=-0.8404,P<0.01;DIN/SRP,r=-0.7853,P<0.01;NO3-/TP,r=-0.7293,P<0.01;NO2-/TP,r=-0.5284,P<0.01;NH4+/TP,r=-0.7842,P<0.01;DIN/TN,r=-0.4392,P<0.01)、LAPT亦与不同形态N/P显著正相关(TN/TP,r=0.5921,P<0.01;DIN/TP,r=0.6885,P<0.01;DIN/SRP,r=0.6400,P<0.01;NO3-/TP,r=0.6167,P<0.01;NO2-/TP,r=0.5220,P<0.01;NH4+/TP,r=0.6362,P<0.01)得以体现。然而,两个湖区磷酸酶各动力学参数均无显著差异,其值与各形态N/P亦无显著相关关系。此外,LAPVmax与TN/TP显著负相关(r=-0.3978,P<0.01),TN/TP与磷酸酶米氏常数(APKm)显著负相关(r=-0.3540,P<0.01)却与氨肽酶米氏常数(LAPKm)显著正相关(r=0.3586,P<0.01),因此,就磷酸酶而言,APKm值的增加降低了有机磷的酶促水解效率。另外,LAPKm 与APKm显著负相关(r=-0.3930,P<0.01)却与NH4+显著正相关(r=0.3876,P<0.05),进一步说明米氏常数对于相对失衡的氮营养的调控作用。最后,各门藻细胞数均与LAPT显著负相关(蓝藻门,r=-0.464,P<0.05;绿藻门,r=-0.412,P<0.05;硅藻门,r=-0.621,P<0.01;裸藻门,r=-0.595,P<0.01;隐藻门,r=-0.410,P<0.05;甲藻门,r=-0.212,P<0.05;黄藻门r=-0.010,P<0.05),APT则无此相关关系。因此,浮游植物当为氨肽酶的重要贡献者。2. 2015年5月至2016年12月逐月采样分析了巢湖浮游植物组成、氮与磷各形态营养含量、酶动力学参数以及沉积物酶活性等。研究结果表明,面积较大的巢湖已存在营养状态的分区,以TSI为指标可分为4个湖区(I区、II区、III区和IV区),四个湖区中DIN/SRP均与TSI显著负相关(I区,r=-0.349,P<0.01;II区,r=-0.604,P<0.01;III区,r=-0.339,P<0.01;IV区,r=-0.524,P<0.01),即DIN/SRP随TSI的升高而降低,尤以II区表现最为明显。另外,巢湖浮游植物种类较多且以蓝藻门中的微囊藻和鱼腥藻为优势种,全年中的5月至9月微囊藻占优势,其余时间鱼腥藻占优势。微囊藻占优势期,水中DIN浓度与DIN/SRP均逐渐降低,四个区中II区DIN/SRP降至最低(II区DIN/SRP降低74倍,I区、III区与IV区分别降低33倍、6倍与5倍),而该区鱼腥藻的保存量最高(II区鱼腥藻保存量为21%,I区、III区与IV区鱼腥藻保存量分别为1%、2%与11%),这一结果暗示II区可能为鱼腥藻水华的先发区。3. 巢湖微囊藻占优势期沉积物碱性磷酸酶活性显著高于鱼腥藻占优势期的相应值,且间隙水SRP浓度与水中SRP浓度显著正相关(r=0.3159,P<0.01),表明沉积物有机磷的矿化持续向水中补给,其结果导致水中SRP浓度升高,此外,微囊藻占优势期氨肽酶动力学参数与氮营养的联系更为紧密,具体而言,微囊藻占优势期LAPVmax与TN/TP显著负相关(r=-0.2071,P<0.05), LAPT与TN/TP显著正相关(r=0.1657,P<0.05),用于表征酶对底物亲和能力的LAPKm亦与DIN显著正相关(r=0.1722,P<0.05),氨肽酶动力学行为的差异一方面表明微囊藻占优势期氮营养的周转更快,另一方面则暗示微囊藻水华时氮的逐渐缺乏。上述因素共同导致水中DIN浓度与DIN/SRP降低,从而为具有固氮功能的鱼腥藻的水华创造条件。4. 运用ELF荧光标记技术常察到巢湖鱼腥藻分泌碱性磷酸酶,而微囊藻鲜见标记,表明鱼腥藻常通过分泌碱性磷酸酶缓解磷的缺乏,此外,相比于微囊藻占优势期,鱼腥藻占优势期磷酸酶动力学参数与磷营养联系更加紧密,主要表现为APKm与SRP浓度显著正相关(r=0.1779,P<0.05),表明磷缺乏条件下磷酸酶对底物亲和力更高,酶促水解作用对有机磷的持续消耗将导致水中SRP浓度逐渐降低。水中磷的减少抑制了鱼腥藻的生长,却为磷利用方式多样的微囊藻的繁盛创造了条件。5. 2014年3月至5月在武汉东湖通道工程沙滩浴场围堰施工区与相关湖区(郭郑湖、汤菱湖、团湖)的19个位点分5次采集水样,分析了水中胞外碱性磷酸酶的动力学参数及其与溶解有机磷和溶解反应性磷比值(DOP/SRP)的关系。结果显示,施工期间,各实验湖区碱性磷酸酶动力学参数均有明显波动,但不同湖区表现各异,首先,营养水平较低且受施工干扰较小的团湖显示最高的APVmax值,而在施工区(沙滩浴场)与邻近的郭郑湖APVmax值显著较低且沙滩浴场常处于最低水平,表明施工减缓了酶促水解反应速度;其次,APKm值在沙滩浴场显示最大值,DOP/SRP与APKm值显著正相关(r=0.2919,P<0.05),表明施工过程中相对于SRP的DOP含量的增加导致酶对底物亲和力下降;最后,从3月至4月的三次采样中,营养水平相对较高的沙滩浴场和郭郑湖APT值逐渐上升,表明酶促水解反应介导的磷的周转逐渐减缓。上述磷酸酶动力学参数的变化共同指示施工区磷营养的相对充足,施工干扰可能有效促进了沉积物磷向水柱的补给。综上所述,湖泊富营养化过程中氮与磷化学计量学逐渐失衡,藻类可通过分泌胞外酶缓解营养的缺乏,并维持氮与磷营养的相对均衡。伴随酶促水解底物的持续消耗,营养逐渐匮乏,藻类组成亦将发生明显改变。酶反应动力学参数在上述变化中指示明显,且可用于工程建设中营养变化的指示参数。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ihb.ac.cn/handle/342005/39057
Collection学位论文
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GB/T 7714
肖健. 浅水湖泊富营养化过程中胞外酶动力学的变化模式及其在藻类演替中的作用[D]. 中国科学院水生生物研究所,2018.
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