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河流沉積物堿性磷酸酶分布及成因分析

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摘要:以南京城市河流秦淮河、運糧河為研究對象,通過測定11個點位表層沉積物中堿性磷酸酶活性(APA),分析了不同類型城市河道沉積物APA分布差異性;通過測定沉積物pH值、營養元素(碳、氮、磷)含量,探討了沉積物理化特征對APA分布影響。結果表明:(1)外秦淮河沉積物APA平均濃度最低,為10214.9m•g•kg-1•h-1,內秦淮河最高,為20021.2mg•kg-1•h-1,APA分布與河道水力流通性及優勢植物類型有關;(2)APA含量與總磷、氨氮、硝酸鹽氮、有機質含量顯著正相關(p<0.05),與pH顯著負相關(p<0.05),表明表層沉積物豐富的營養成分充足情況下,將促使微生物新陳代謝,使得APA升高,而pH升高則會抑制APA。

關鍵詞:堿性磷酸酶;營養元素;表層沉積物;城市河流

水體沉積物是水體營養元素的重要蓄積庫,是水體營養鹽的緩沖劑,維持水中營養鹽平衡,在水體缺乏營養時,水生生物的生長主要是靠沉積物釋放的營養鹽維持調節。磷是造成水質富營養化的關鍵性的限制性因素之一[1]。城市河流閘控滯流,水力流通性差,造成大量沉積物淤積,內源負荷累積。城市河流沉積物磷的沉積物-水界面交換和輸送研究具有重要意義。本文研究了南京城市河流秦淮河、運糧河表層沉積物中堿性磷酸酶分布特征,測定了相應沉積物中pH值、營養元素(碳、氮、磷)含量及氮、磷形態,分析了南京城市河流中表層沉積物中堿性磷酸酶活性(APA)與營養元素、pH值的相關性。研究結果可初步揭示南京城市河流表層沉積物中堿性磷酸酶的分布狀況,以及與營養元素的關系。

1材料與方法

1.1采樣點布設和樣品采集根據南京河流污染狀況,于2014年11月在外秦淮河、運糧河及內秦淮河共布設了11個采樣點,位置見表1。每點采樣3~5次,共采集表層沉積物樣品1~2kg,剔除雜物后將沉積物樣品充分混合、瀝干水分后放入塑料袋中密封,并置于4℃冰箱保存。分取部分樣品,24h內測定堿性磷酸酶活性(APA)。另一部分分裝于小封口袋中在-20℃冷凍干燥5~7d,將凍干后樣品壓散,過20目篩,直至篩上物不含泥土,棄去篩上物,篩下物用四分法縮分至約150g,用瑪瑙研缽研磨至樣品全部通過100目篩,4℃保存,用于營養元素的測定。

1.2試驗與分析方法1.2.1堿性磷酸酶活性的測定[2]將1.00g沉積物樣品放于50mL三角瓶中,然后加入0.2mL甲苯、4mLpH=11的緩沖溶液和1mL對硝基苯磷酸二鈉溶液,輕搖混勻塞上瓶蓋,在37℃下培養1h。加入1mLCaCl2溶液和4mLNaOH溶液,輕搖幾秒鐘后,鋁制過濾。用分光光度計在400~420nm進行比色,測定溶液的吸光值。同時測定無泥及無底物對照。實際APA用每小時每千克干重沉積物產生對硝基苯酚的毫克數計算。1.2.2沉積物pH值與營養元素測定[2]沉積物pH測定選擇玻璃電極法(水土比2.5:1)。碳元素選擇有機質和燒失量,其中有機質測定采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化-比色法;氮元素選擇凱氏氮和可交換氮中的硝態氮和銨態氮,測定方法分別為半微量開氏法、水提-酚二磺酸光度法及2molKCl浸提-納式試劑光度法;磷形態分析采用歐洲標準測試委員會框架下發展的SMT法[3]。它將表層沉積物的磷分為總磷(TP)、有機磷(OP)、無機磷(IP)、非磷灰石無機磷(NAIP)和磷灰石磷(AP)。

2結果與討論

2.1南京城市河流表層沉積物中堿性磷酸酶活性分布南京外秦淮河、運糧河、內秦淮河表層沉積物中堿性磷酸酶活性分布如圖1所示。由圖1可見,南京城市河流表層沉積物中APA在各采樣點分布各有不同。3個河段的平均APA分布表現為:外秦淮河(10214.9mg•kg-1•h-1)<運糧河(15095.2mg•kg-1•h-1)<內秦淮河(20021.2mg•kg-1•h-1)。外秦淮河的水力流通性相對較好,且部分河段生長有大型水生植物;運糧河由于下游外秦淮河閘控影響而造成滯留,甚至部分倒流;內秦淮河水體流速極緩。因此,3個河段的平均APA分布與水力流通性的關系較為顯著。Q2、Y2位于七橋甕生態濕地公園,大型水生植物生長較為豐富,因此它們APA值明顯高于外秦淮河其他點位。藻類生長較為豐富。對APA與營養元素碳、氮、磷的聚類分析結果如圖2,表明Q1、Q4、Q6與Q3、Q5、Q7為一類,N1、N2與Q2、Y2為一類。這一結果與APA分布相一致,說明APA與表層沉積物碳、氮、磷等營養元素有一定的相關性。圖2采樣點表層沉積物APA與營養元素系統聚類分析樹狀關系圖

2.2堿性磷酸酶活性與各種營養元素及pH值的關系對各點營養元素分析,pH值、有機質、凱氏氮、可交換氮和磷形態分析結果如表2所示。表3為表層沉積物APA與pH值及營養元素相關性分析結果。從各相關系數來看,與南京河流表層沉積物中APA最具相關性的是有機質質量百分數(r=0.763),極顯著正相關(p=0.006);其次是總磷(r=0.703),顯著正相關(p=0.016);再次為可交換態氮,與硝酸鹽氮、銨態氮均顯著正相關。表明表層沉積物營養成分充足情況下,使各種微生物保持旺盛的新陳代謝,則APA相對較高。各種磷形態中TP與APA的相關性最好,OP其次。APA與OP相關性較好,為正相關(r=0.576)。這一現象說明調查區域沉積物的有機磷經堿性磷酸酶作用產生的無機磷為沉積物中生物所利用。可交換態氮與APA的相關性好于凱氏氮,進一步印證了上述結論。另外,APA與表層沉積物pH值顯著負相關(r=-0.634,p=0.036)。說明對于堿性磷酸酶而言,并非堿度越高其活性越強,保持其活性的堿度存在一定的閾值。

3結論

(1)南京城市河流表層沉積物堿性磷酸酶活性在各采樣點分布各有不同。3個河段的平均APA分布表現為:外秦淮河<運糧河<內秦淮河。表現出與水力流通性及優勢植物類型有關。與系統聚類分析結果的對照表明,堿性磷酸酶活性與表層沉積物碳、氮、磷等營養元素有一定的相關性。(2)堿性磷酸酶活性與碳、氮、磷營養元素及pH值的相關性分析表明,APA與有機質質量百分數呈極顯著正相關;與總磷、可交換態氮(硝酸鹽氮、銨態氮)呈顯著正相關,與表層沉積物pH值顯著負相關;與OP相關性較好,為正相關(r=0.576)。表明表層沉積物營養成分充足情況下,使各種微生物保持旺盛的新陳代謝,則APA相對較高。調查區域沉積物的有機磷經堿性磷酸酶作用產生的無機磷為沉積物中生物所利用。對于堿性磷酸酶而言,并非堿度越高其活性越強,保持其活性的堿度存在一定的閾值。

參考文獻:

[2]魯如坤.土壤農業化學分析方法[M].北京:農業科技出版社,2000:12-14,22-29,146-160,248~254.

作者:馬天海 孫娟 單位:南京大學金陵學院

青海環境雜志責任編輯:張雨    閱讀:人次
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