骆马湖沉积物酸酶季节变化

【摘要】1.3数据分析方法采用SPSS13.0软件对数据进行相关性分析和单因素方差分析及显著性检验，其中显著性差异P<0.05。 2结果与分析 2.1采样点上覆水基本理化指标采样期间各点的透明度、...

本文作者：徐德兰、万 蕾、高明侠、宋新恒、董 潇、韩宝平 单位： 徐州工程学院环境工程学院 、中国矿业大学 江苏省资源环境信息工程重点实验室

沉积物是湖泊物理和化学诸多过程的综合结果，是氮、磷等生源要素的重要储藏库。碱性磷酸酶是一种专一性的磷酸酯水解酶，可以催化所有的磷酸酯的水解反应和磷酸基团的转移反应，因此，该酶在水生生态系统的磷循环，尤其是以微生物为主体的沉积物生态系统中应具有重要的功能[1]和关键作用。目前，国外学者对湖泊沉积物氮、磷的形态、分布、季节变化等均有相关报道[2-4]，我国学者对太湖、东湖、滇池等湖泊沉积物中氮磷形态和含量及碱性磷酸酶已做过一些研究，如金相灿等[5]研究了太湖东北部沉积物可溶性氮磷的季节性变化，周易勇等[6-7]研究了武汉东湖和严西湖沉积物中碱性磷酸酶的动力学参数，孟春红等[8]研究了东湖沉积物中氮磷形态分布，陈永川等[9-10]分别研究了滇池沉积物中氮、磷的时空变化特征。但是，对骆马湖这个典型的浅水湖泊沉积物中氮磷含量及碱性磷酸酶的性质，却少见报道。本文研究了骆马湖沉积物中氮磷含量和碱性磷酸酶活性在不同深度的分布变化，分析了其季节变化特征，及酶活性与磷含量的相关性。研究底泥中氮磷含量和碱性磷酸酶活性的季节变化规律，对于控制内源污染，防治水体富营养化具有重要的意义。研究结果可初步揭示骆马湖沉积物中氮、磷和碱性磷酸酶的分布状况、变化规律，为骆马湖的治理与管理提供科学依据，为南水北调过水湖泊的水质安全问题提供参考。

1材料与方法

1.1样品的采集与处理骆马湖（N：34°00′~34°11′，E：118°06′~118°18′）是江苏省四大淡水湖泊之一，位于江苏省北部，京杭大运河中段，上接山东省南四湖，下接江苏省洪泽湖，水域面积达35100hm2（丰水面积78500hm2，枯水面积20100hm2），湖底高程18~21m，当蓄水位23.0m时（古黄河基地），平均水深3.32m，最深等深线东南部水深5.5m，年水位涨幅在1.90~5.73m，年换水次数在10次左右，是典型过水性湖泊。本研究采样点位于骆马湖东侧区域，距离骆马湖湖滨浴场4~6km。共设10个采样点，布设情况如图1所示。3次采样时间分别为：2008年6月29日（夏季）、2008年10月24日（秋季）、2009年4月18日（春季）。冬季由于风浪较大，没有采样。对骆马湖沉积物的研究，采用柱状采样器（直径为8cm）采集沉积物，自上而下（厚度分别为3、3、5cm）分层，将采集的沉积物放入塑料袋中带到实验室，在40℃烘箱中烘干、研磨、过100目筛后放入塑料袋中待用。采样同时测定各采样点水体表层的pH值（PHS-3C型便携pH计）、水温（温度计）、透明度（塞氏盘）、氧化还原电位（HANNAHI8242氧化还原电位仪）、溶解氧（YSIDO200型溶解氧测量仪）等数据。

1.2分析方法沉积物需在40℃烘箱中烘干，经碾钵碾磨，将磨细沉积物过100目筛待用，沉积物中总氮、总磷的测定分别为微量凯氏定氮法和H2SO4-HClO4消解钼锑抗比色法。碱性磷酸酶的测定参考文献[11]，以PNPP为底物，和Tris反应，NaOH中止反应，420nm测定吸光度，碱性磷酸酶活性以每克沉积物干样生成的对硝基酚（P-NP）的量表示，单位mg•kg-1•h-1。

1.3数据分析方法采用SPSS13.0软件对数据进行相关性分析和单因素方差分析及显著性检验，其中显著性差异P<0.05。

2结果与分析

2.1采样点上覆水基本理化指标采样期间各点的透明度、氧化还原电位、水温、pH值、DO等指标的变化见表1。可以看出，骆马湖上覆水6月底水温在25℃左右，10月下旬19℃左右，4月中旬16℃左右。春、夏季的透明度高于秋季，除6月底的5点和8点以外，春、夏季的透明度均在1m以上，而10月下旬的透明度均在1m以下。氧化还原电位变幅在87.7~196.4mV之间，平均150.4mV。pH值在7.5~9.13之间变化，溶解氧含量较高，在5.13~9.32mg•L-1之间变化。

2.2沉积物中氮元素含量季节变化特征骆马湖沉积物中各点位的总氮含量变化见图2。可以看出，骆马湖各个季节不同采样点不同深度的沉积物中，总氮含量最高为2.91mg•g-1，最低为0.127mg•g-1，平均（0.86±0.50）mg•g-1。不同季节沉积物中总氮含量不同，春季含量最高，秋季次之，夏季含量最低。在夏季，表层总氮含量最高，次表层次之，略高于第三层，沉积物总氮含量最低值出现在1号点的第三层，最高值出现在10号点的表层；在秋季，垂向变化不明显，次表层略高于表层，高于第3层，最低值出现在3号点的表层和5号点的第三层，均为0.48mg•g-1，最高值为8号点的表层；在春季，表层＞第三层＞次表层，最低值出现在3号和4号点的次表层，均为0.35mg•g-1，最高值出现在7号点的表层。经方差分析可知，夏、秋、春季沉积物的氮含量变化差异不显著（P≈0.05）。10个采样点位季节平均，表层总氮含量最高，次表层次之，略高于第三层。据美国EPA[12]中沉积物TN污染的评价标准（<1mg•g-1时，为清洁；1～2mg•g-1时为轻污染；>2mg•g-1时为重污染），骆马湖大部分点位为清洁和轻污染状态。在太湖东北部，不同采样点不同季节沉积物的总氮含量年均值在1.31~2.27mg•g-1之间变化[5]，滇池沉积物（0~20cm）总氮平均含量为4.91mg•g-1[9]，可见，骆马湖东侧沉积物中氮元素含量与太湖相当，低于滇池。

2.3沉积物中磷元素含量季节变化特征骆马湖沉积物中各点位的总磷含量变化见图3。可以看出，骆马湖各个季节不同采样点不同深度的沉积物中，总磷含量最高为0.41mg•g-1，最低为0.03mg•g-1，平均（0.19±0.10）mg•g-1。与总氮不同，沉积物中总磷变化为春季＞夏季＞秋季，各个季节均为表层＞次表层＞第三层。夏季，最低值出现在6号点的次表层，最高值出现在2号点的表层；秋季，最低值为2号点的第三层和9号点的次表层，最高值为1号点的表层；春季，最低值为6号点的第三层，最高值为10号点的表层。经方差分析，夏、秋、春季3层沉积物的磷含量变化差异显著（P<0.05），可能与植物生长和微生物活动的季节周期变化有关。表层总磷含量变幅在0.05~0.41mg•g-1之间，最低值和最高值分别为秋季的2号点和春季的10号点位；次表层在0.03~0.39mg•g-1之间，最低值和最高值分别为秋季的2号点和春季的8号点；第三层在0.03~0.33mg•g-1之间，最低值和最高值分别为秋季的2号点和春季的2号点。在太湖东北部，不同采样点不同季节沉积物的总磷含量年均值在0.37~0.79mg•g-1之间变化[5]，滇池沉积物（0~20cm）总磷平均含量为2.17mg•g-1[10]，骆马湖东侧沉积物中磷元素含量低于太湖和滇池。

2.4沉积物中碱性磷酸酶活性季节变化特征骆马湖沉积物中各点位的碱性磷酸酶活性变化见图4。可以看出，骆马湖各个季节不同采样点不同深度的沉积物中，碱性磷酸酶活性最高为592.39mg•kg-1•h-1，最低为44.59mg•kg-1•h-1，平均（233.83±132.70）mg•kg-1•h-1。与总磷变化相同，碱性磷酸酶活性变化为春季＞夏季＞秋季，除春季次表层稍高以外，各个季节基本均为表层＞次表层＞第三层。夏季，碱性磷酸酶活性变幅为126.14~236.54mg•kg-1•h-1，最小值和最大值分别为1号点的第三层和9号点的表层；秋季，变幅为44.59~233.72mg•kg-1•h-1，最小值和最大值分别为6号点的次表层和8号点的次表层；春季，碱性磷酸酶活性变幅为231.51~592.39mg•kg-1•h-1，最小值和最大值分别为2号点的第三层和8号点的次表层。同样经方差分析，夏、秋、春季3层沉积物碱性磷酸酶的活性差异显著（P<0.05）。表层碱性磷酸酶活性变幅在59.40~410.24mg•kg-1•h-1之间，最低值和最高值分别为秋季的7号点和春季的10号点；次表层在44.59~592.39mg•kg-1•h-1之间，最低值和最高值分别为秋季的6号点和春季的8号点；第三层在55.31~411.30mg•kg-1•h-1之间，最低值和最高值分别为秋季的4号点和春季的10号点。

3讨论

为了探讨沉积物中氮磷含量及碱性磷酸酶活性的分布规律及其影响因素，将各个季节各采样点对应的水体DO、pH值和氧化还原电位与表层沉积物的TN、TP含量和碱性磷酸酶活性进行了皮尔逊相关分析，相关系数见表2。可以看出，除pH值与沉积物TP含量相关性较大以外，其他相关性较小，这主要是因为骆马湖是典型的过水型湖泊，上覆水的DO、pH值和氧化还原电位等与沉积物中氮磷含量相关性小。TP与碱性磷酸酶活性呈显著正相关（P=0.05），进一步分析沉积物中碱性磷酸酶活性与总磷含量的关系，如表3所示。可以看出，沉积物碱性磷酸酶活性与TP含量均呈正相关，且在春夏季表现出明显的正相关性。张宇等[16]对长江中下游的一些湖泊的研究也发现沉积物碱性磷酸酶活性与总磷含量高度一致，两者极显著正相关。总磷含量的多少与沉积物营养水平有关，也与沉积物中生物数量有关，而沉积物中碱性磷酸酶活力既然主要来自微生物的贡献，则必然与二者密切相关[1]。骆马湖沉积物中碱性磷酸酶活性各个季节基本均为表层＞次表层＞第三层，说明沉积物表层是由磷酸酶介导的磷循环最活跃区域，与已有的报道一致[13-14]。沉积物的表层由于氧气供给充足，营养物质丰富，加上水位周期变化可能出现的干湿交替，这一层非常有利于微生物生长；而随着深度增加，各种营养物质含量不断减少，含氧量也逐渐减小，使得各种生物降解活动减少，碱性磷酸酶的活性也逐渐降低。从表3还可以看出，春夏季碱性磷酸酶活性与总磷的相关性明显高于秋季，碱性磷酸酶活性季节变化2301801308030取样点号APA/mg•kg-1•h-112345678910（B）也较明显，分析原因可能是由于大型水生植物的干扰作用。已有研究表明：五里湖表层沉积物APA活性表现出明显的季节变化趋势，2004年4、6、9月该湖沉积物APA活性逐渐升高[15]。证明大型水生植物对沉积物碱性磷酸酶活性的影响不容忽视。

4结论

（1）骆马湖沉积物中，总氮含量变幅在0.13~2.91mg•g-1，春季含量最高，秋季次之，夏季含量最低；全年来看，表层最高，次表层次之，略高于第三层；大部分点位为清洁和轻污染状态；3层沉积物氮含量的平均值季节变化差异不显著。（2）骆马湖沉积物中，总磷含量最高为0.41mg•g-1，最低为0.03mg•g-1；总磷变化为春季＞夏季＞秋季，各个季节均为表层＞次表层＞第三层；3层沉积物磷含量的平均值季节变化差异显著。（3）不同深度的沉积物中，碱性磷酸酶活性最高为592.39mg•kg-1•h-1，最低为44.59mg•kg-1•h-1，碱性磷酸酶活性变化为春季＞夏季＞秋季，除春季次表层稍高以外，各个季节基本均为表层＞次表层＞第三层。3层沉积物磷含量的平均值季节变化差异显著。（4）沉积物碱性磷酸酶活性和总磷的含量变化一致，与总磷含量均呈正相关，且在春夏季表现出明显的正相关性。