太湖天然有机质的光学特性、来源及生物可利用性研究

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太湖是我国第三大淡水湖泊,也是一个大型的富营养化浅水湖泊,近二十年来流域和周围城市大量氮磷营养盐输入导致太湖面临着严重的湖泊富营养化和频繁的蓝藻水华暴发。太湖复杂的河网水系,草、藻型等不同的生态类型,夏季频繁的蓝藻水华以及强烈风浪扰动引起的沉积物再悬浮等,使得水体中天然有机质(OM)的分布、来源、组成和变化极其复杂。本文以太湖为研究对象,探讨大型富营养化浅水湖泊太湖天然有机质的来源、组成及其生物可利用性。主要研究结果如下:(1)基于地统计学和地理信息系统(GIS)空间分析方法,分析了草、藻型等不同生态类型湖区颗粒态和溶解态氮、磷在营养盐循环中的作用及时空变化特征。结果显示:水体中氮、磷含量整体表现为冬季高于其他季节,呈现由西北湖区向东南湖区递减的特征;颗粒态氮、磷与叶绿素a含量则表现为夏季高于其他季节,冬季高值区均位于南部湖区,其余季节高值区集中在西北湖区。藻型湖区由冬季以硝酸盐氮和有机磷为主,转变为其余季节以颗粒态氮磷为主,而草型湖区由冬季以颗粒态氮磷为主,转变为其余季节以氨氮和有机氮磷为主。藻型湖区总氮/总磷比值由秋冬季节大于16,降低为夏春季节的小于16;而草型湖区却由秋冬季节小于16,升高为夏春季节大于16。溶解态氮磷比在藻型湖区的空间变化规律与总氮/总磷比值一致,而在草型湖区溶解态氮磷比由秋季小于16,升高为夏、冬、春季节大于16。颗粒态氮磷比时空变化均不显著(P>0.05),各季节藻型湖区颗粒态氮磷比比值均小于16,草型湖区均大于16。(2)结合POM-DOM PARAFAC三维荧光模型及地统计学法对夏、冬季节OM的存在形态和荧光特征进行分析。结果表明,夏、冬季节溶解态有机质(DOM)均发现了4类荧光峰(T、D、A和C峰),而夏、冬季节颗粒态有机质(POM)荧光峰类型存在明显季节差异,夏季POM出现6类荧光峰(B、D、M、C、A和未知荧光峰U峰),冬季POM出现5类荧光峰(T、D、M、C和A峰);夏季POM类酪氨酸荧光峰D峰激发波长为300 nm,出现明显的“蓝移”现象,说明夏季POM类酪氨酸荧光物质的分子量、缩聚度和芳香度小于其他季节有机质。POM(C1pC5p)和DOM(C1dC5d)两种有机质均发现5种荧光组分,分别是类色氨酸(C1和C2)、类腐殖质(C3和C4)及类酪氨酸(C5)。POM和DOM荧光组分特征存在明显的时空差异;夏季POM以组分C5为主,各荧光组分高值区均分布在竺山湾区域;冬季POM以组分C3为主,各荧光组分高值区均集中在湖心区;而夏、冬季节DOM均以类蛋白组分C2、C1和C5为主(相对含量C2d>C1d>C5d),各荧光组分高值区均分布在竺山湾区域;夏、冬季节太湖藻型湖区(夏季类色氨酸所占比重均值为1.05%±0.47%,冬季均值为21.58%±2.76%)POM类色氨酸组分(C1和C2)较草型湖区(夏季类色氨酸所占比重均值为0.06%±0.07%,冬季均值为7.85%±1.57%)多(t检验,P<0.01;t检验,P<0.01),而DOM类色氨酸组分在不同类型湖区所占比重并无显著差异(P>0.05)。综合POM和DOM的块金系数和荧光指数可知,冬季DOM整体处于较强的自生源特征,夏季DOM、冬季POM、夏季POM均同时受内源和外源的双重影响,其中夏季POM外源特性相对强烈。(3)藻源性OM的迁移转化以及伴随的营养物质再生应该是蓝藻水华暴发期间营养盐快速供给的主要“生力军”!研究藻源性OM的降解转化机制及其降解产物的生物可利用性,很可能成为揭示水华暴发机制的一个关键环节。本文对比了在自然光照和无光条件下,藻源性OM的降解转化过程及对营养盐的贡献,并探讨了降解产物的生物可利用性。结果显示:在藻源性颗粒物降解过程中,两处理组中均存在着藻源性颗粒物转化为溶解态,再转化为营养盐和类腐殖质物质的变化趋势。光照对藻源性颗粒物降解的影响较大,有光组中的藻类死亡和降解伴随着藻类的新生,从而使有光组的分解量小于无光组。类蛋白组分的生物可利用性高于类腐殖质组分,其中,类色氨酸组分C4的生物可利用性最高,类色氨酸组分C1次之,类酪氨酸组分C2最低。光照组中NH4+与DOC存在正相关关系,说明NH4+含量变化与周围DOC浓度有关。NH4+与类酪氨酸组分C2呈负相关关系;实验初期(010d)NH4+浓度处于显著增长状态,C2荧光强度处于降低状态;第11d后,NH4+浓度突然下降,类酪氨酸组分C2荧光强度突然增强;这可能意味着NH4+与类酪氨酸之间可相互转化。
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