外源硫酸盐介入下沉积物磷释放、解磷微生物及磷酸酶活性的变化

第３４卷第１期

２０１４年１月

环一境一科一学一学一报一ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ

Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１Ｊａｎ．，２０１４

基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．５０８０９０３０）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（Ｎｏ．２０１２ＺＹＴＳ０３３）

ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．５０８０９０３０）ａｎｄＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈＦｕｎｄｓｆｏｒｔｈｅＣｅｎｔｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ（Ｎｏ．２０１２ＺＹＴＳ０３３）

作者简介：范乐（１９８８ ），男，Ｅ?ｍａｉｌ：ｆｒａｎｋｆａｎｌｅ＠１６３．ｃｏｍ；?通讯作者（责任作者），Ｅ?ｍａｉｌ：ｙｍｈｕａ＠ｍａｉｌ．ｈｚａｕ．ｅｄｕ．ｃｎＢｉｏｇｒａｐｈｙ：ＦＡＮＬｅ（１９８８ ），ｍａｌｅ，Ｅ?ｍａｉｌ：ｆｒａｎｋｆａｎｌｅ＠１６３．ｃｏｍ；?Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ?ｍａｉｌ：ｙｍｈｕａ＠ｍａｉｌ．ｈｚａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

范乐，华玉妹，余芬芳，等．２０１４．外源硫酸盐介入下沉积物磷释放二解磷微生物及磷酸酶活性的变化［Ｊ］．环境科学学报，３４（１）：２１０?２１８ＦａｎＬ，ＨｕａＹＭ，ＹｕＦＦ，ｅｔａｌ．２０１４．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｓｕｌｆａｔｅｏｎｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｌｅａｓｅ，ｐｈｏｓｐｈａｔｅ?ｓｏｌｕｂｉｌｉｚｉｎｇｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓａｎｄｐｈｏｓｐｈａｔａｓｅａｃｔｉｖｉｔｙｉｎＬａｋｅＤｏｎｇｈｕ，Ｗｕｈａｎ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３４（１）：２１０?２１８

外源硫酸盐介入下沉积物磷释放二解磷微生物及磷酸酶活性的变化

范乐，华玉妹?，余芬芳，刘广龙，朱端卫

华中农业大学资源与环境学院，武汉４３００７０

收稿日期：２０１３?０４?２２一一一修回日期：２０１３?０７?０２一一一录用日期：２０１３?０７?１０

摘要：人类生产活动导致湖泊水体硫酸盐浓度日益增加，硫酸盐与沉积物中磷之间的关系引起关注．该研究以武汉东湖水和沉积物为研究对象进行实验室模拟，研究为期近一年且温度变化的条件下外源硫酸盐对沉积物释磷及微生物的作用．结果表明，硫酸盐输入使沉积物ｐＨ和氧化还原电位（Ｅｈ）总体呈降低趋势．外源硫酸盐促进了沉积物磷的释放，输入硫酸盐（Ｓ５００）与对照（ＣＫ）之间的上覆水存在显著差异（ｐ＜０．０１），

Ｓ５００的上覆水中总磷浓度最高值达０．３３ｍｇ四Ｌ－１，为对照的２倍．湖泊沉积物中有机磷解磷菌的数量高于无机磷解磷菌，上层沉积物解磷菌的数量和沉积物总磷的含量之间呈负相关．Ｓ５００的沉积物中磷酸二酯酶活性高于磷酸单酯酶活性，且不同分层沉积物磷酸单酯酶活性和磷酸二酯酶活性之间的正相关性达到显著水平．温度升高，磷酸酶的活性逐渐增强，促使沉积物内源磷释放量增加．关键词：沉积物；有机磷；磷酸单酯酶；磷酸二酯酶；解磷菌

文章编号：０２５３?２４６８（２０１４）０１?２１０?０９一一一中图分类号：Ｘ１７一一一文献标识码：Ａ

Ｅｆｆｅｃｔｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｓｕｌｆａｔｅｏｎｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｌｅａｓｅ，ｐｈｏｓｐｈａｔｅ?ｓｏｌｕｂｉｌｉｚｉｎｇｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓａｎｄｐｈｏｓｐｈａｔａｓｅａｃｔｉｖｉｔｙｉｎＬａｋｅＤｏｎｇｈｕ，Ｗｕｈａｎ

ＦＡＮＬｅ，ＨＵＡＹｕｍｅｉ?，ＹＵＦｅｎｆａｎｇ，ＬＩＵＧｕａｎｇｌｏｎｇ，ＺＨＵＤｕａｎｗｅｉ

ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＨｕａｚｈｏｎｇＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０

Ｒｅｃｅｉｖｅｄ２２Ａｐｒｉｌ２０１３；一一一ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２Ｊｕｌｙ２０１３；一一一ａｃｃｅｐｔｅｄ１０Ｊｕｌｙ２０１３

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｖｅｒａｇｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｓｕｌｐｈａｔｅｉｎｌａｋｅｓｋｅｅｐｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｓｈａｒｐｌｙｄｕｅｔｏｔｈｅａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｕｌｆａｔｅａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｉｎｓｅｄｉｍｅｎｔｓｃａｎｎｏｔｂｅｉｇｎｏｒｅｄ．Ｉｎｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈ，ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｕｓｉｎｇｔｈｅｏｖｅｒｌｙｉｎｇｗａｔｅｒａｎｄｓｅｄｉｍｅｎｔｓｆｒｏｍＬａｋｅＤｏｎｇｈｕｗａｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｕｎｄｅｒｉｎｄｏｏｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒｎｅａｒｌｙｏｎｅｙｅａｒｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｓｕｌｆａｔｅｏｎｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｌｅａｓｅａｎｄｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｐＨａｎｄｒｅｄｏｘｐｏｔｅｎｔｉａｌ（Ｅｈ）ｉｎｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｓｏｆＬａｋｅＤｏｎｇｈｕｄｅｃｒｅａｓｅｄｉｎｇｅｎｅｒａｌｗｉｔｈｔｈｅｉｎｐｕｔｏｆｓｕｌｆａｔｅ．Ｔｈｅｒｅｌｅａｓｅｏｆｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｆｒｏｍｓｅｄｉｍｅｎｔｓｗａｓａｇｇｒａｖａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｐｕｔｏｆｅｘｔｅｒｎａｌｓｕｌｆａｔｅ，ａｎｄｔｈｅｒｅｗａｓａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ（ｐ＜０．０１）ｆｏｒｔｈｅｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｌｅａｓｅｂｅｔｗｅｅｎｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈｓｕｌｆａｔｅｉｎｐｕｔ（Ｓ５００）ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ．ＴｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｏｔａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｏｖｅｒｌｙｉｎｇｗａｔｅｒｏｆＳ５００ｗａｓｕｐｔｏ０．３３ｍｇ四Ｌ－１ａｎｄｔｗｉｃｅａｓｍｕｃｈａｓｔｈａｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌ．Ｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｏｒｇａｎｉｃｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｓｏｌｕｂｉｌｉｚｉｎｇｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓｗａｓｌａｒｇｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｉｎｏｒｇａｎｉｃｏｎｅｓｉｎｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｓ．ＴｈｅｒｅｗａｓａｎｅｇａｔｉｖｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｐｈｏｓｐｈａｔｅｓｏｌｕｂｉｌｉｚｉｎｇｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆＴＰｉｎｔｈｅｕｐｐｅｒｓｅｄｉｍｅｎｔｓ．Ｓｕｌｆａｔｅｉｎｐｕｔｃａｕｓｅｄｈｉｇｈｅｒａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｐｈｏｓｐｈｏｄｉｅｓｔｅｒａｓｅｔｈａｎｐｈｏｓｐｈｏｍｏｎｏｅｓｔｅｒａｓｅｉｎｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｓ．ＴｈｅｒｅｗａｓａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｐｈｏｓｐｈｏｄｉｅｓｔｅｒａｓｅａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｍｏｎｏｅｓｔｅｒａｓｅｉｎｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｓｏｆＳ５００．Ｔｈｅｐｈｏｓｐｈａｔａｓｅａｃｔｉｖｉｔｙｗａｓｅｎｈａｎｃｅｄｗｉｔｈｔｈｅｒｉｓｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｌｅａｄｉｎｇｔｏｍｏｒｅ

ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｌｅａｓｅｄｆｒｏｍｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｓｉｎｔｏｔｈｅｏｖｅｒｌｙｉｎｇｗａｔｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ；ｏｒｇａｎｉｃｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ；ｐｈｏｓｐｈｏｍｏｎｏｅｓｔｅｒａｓｅ；ｐｈｏｓｐｈｏｄｉｅｓｔｅｒａｓｅ；ｐｈｏｓｐｈａｔｅｓｏｌｕｂｉｌｉｚｉｎｇｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ

１一引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）

近年来，中国酸雨区已成为继欧洲和北美之后的世界三大酸雨区之一，２０１２年监测的中国４６６个市（县）中，出现酸雨的市（县）２１５个，占４６．１％，酸

雨频率在７５％以上的５６个，占１２．０％（环境保护部，２０１２），部分硫酸盐通过降雨和地表径流的方式进入到湖泊水体中；此外，随着城市和工业的迅猛发展，大量富含硫酸盐的废水不经处理直接排放到湖泊中，造成湖泊水体不同程度的酸化和硫酸盐浓

１期范乐等：外源硫酸盐介入下沉积物磷释放二解磷微生物及磷酸酶活性的变化

度的增高（Ｌａｈｅｒｍｏｅｔａｌ．，１９９４），淡水湖泊上覆水中硫酸盐的浓度达到３００ｍｇ四Ｌ－１（Ｋｌｅｅｂｅｒｇ，１９９８；Ｚａｋｅｔａｌ．，２００６），而矿区湖泊沉积物间隙水中硫酸

盐的浓度则高达２０００ｍｇ四Ｌ－１（Ｂｌｏｄａｕｅｔａｌ．，１９９８）．对我国６０个国控重点湖泊营养状态监测显示，轻度富营养状态以上的湖泊占２５％（环境保护部，２０１２）．营养水平较高的湖泊，适宜温度条件下容易形成缺氧条件，硫酸盐发生还原产生的硫化物会消耗水体中的溶解氧，使水质更加恶化，对水环境有重要的影响（Ｓｍｏｌｄｅｒｓｅｔａｌ．，１９９３）．浅水湖泊中，沉积物磷占据了湖泊磷总量的６０％ ８０％（Ｍｉｃｈａｅｌｅｔａｌ．，１９９５）．沉积物作为湖泊中最大的 磷汇 ，当湖泊环境条件发生改变时，沉积物中的磷可通过物理二化学二生物过程释放到上覆水中（Ｒｕｔｔｅｒｂｅｒｇｅｔａｌ．，１９９３；Ｅｌｉｚａｂｅｔｈｅｔａｌ．，２０１１）．湖泊水体中的硫酸盐可导致沉积物中内源磷的释放，从而提高湖泊上覆水中磷的浓度（Ｈｏｌｍｅｒｅｔａｌ．，２００１；Ｚａｋｅｔａｌ．，２００６）．

湖泊沉积物由于微生物的矿化作用，将沉积物中的有机磷分解转化成无机磷，将不溶性磷转化为可溶性磷，导致沉积物内源磷不断释放到上覆水中，进而增加了湖泊发生富营养化的可能性．研究表明，在无微生物的条件下，湖泊沉积物中的磷释放量几乎为零（Ｍａｃｉａｅｔａｌ．，１９８０）．与之相似，候立军等（２００２）在研究苏州河沉积物内源磷释放中也发现：在有微生物作用下的湖泊沉积物磷的释放量明显高于无菌条件下磷的释放量．可见，湖泊沉积物中的微生物直接或间接地影响着沉积物中磷的释放．沉积物中微生物与酶活性密切相关．酶活性已广泛作为评价生源要素对湖泊富营养化的指标之一（Ｓａｖａｇｅ，２００４），可对湖泊沉积物中磷的存在状态和水平进行评价，同时，磷酸酶能够增加磷的生物可利用性（Ｓｈａｈｅｔａｌ．，１９９４；姜经梅等，２０１１）．

硫酸盐对沉积物磷的释放具有一定作用，以往研究是在较短时期内进行，且一般在恒温条件下．不同季节微生物活性存在差异，硫酸盐的还原对湖泊沉积物内源磷的释放必将呈现不同的变化趋势，同时，硫酸盐引起磷转化的过程中解磷微生物及磷酸酶活性的研究也尚少，而明确磷转化的内因对于进一步弄清硫酸盐与内源磷释放之间的关系很有必要．因此，研究不同温度下外源硫酸盐对上覆水及不同分层沉积物磷的影响，有助于丰富沉积物内源磷具体的迁移转化及湖泊水体富营养化的防治提供科学依据．本研究以武汉东湖表层沉积物和上覆水为研究对象进行近一年的实验室模拟，对温度变化的条件下沉积物磷对硫酸盐的响应进行研究，探讨温度变化条件下外源硫酸盐对沉积物释磷及微生物的作用．

２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１一样品的采集及性质

东湖位于湖北省武汉市武昌区东北部，湖水面

积３２．５ｋｍ２，据测量，其最高水位为２０ｍ，最大水深为６ｍ，湖水平均深度约２ｍ，为长江中下游一个浅水型内陆湖泊．利用彼德森采泥器于东湖（１１４?２２?１１?Ｅ，３０?３２?４１?Ｎ）取表层沉积物，并采集相应取样点的上覆水．

东湖上覆水中总磷含量为０．３１ｍｇ四Ｌ－１，水体ＳＯ２－４浓度为１１６．７０ｍｇ四Ｌ－１，为Ⅳ类水体．沉积物总磷含量为０．９３ｇ四ｋｇ－１，有机质含量为７２ ４０ｇ四ｋｇ－１，水体呈弱酸性，沉积物Ｅｈ为负值，已具备富营养化发生的条件．

２．２一实验设置

实验设置２个处理：空白组ＣＫ上覆水中不添

加ＳＯ２－４，处理组Ｓ５００上覆水中输入ＳＯ２－４浓度为５００ｍｇ四Ｌ－１．沉积物高度３０ｃｍ，沉积物和上覆水的体积比为１?２，装于（Φ５０ｃｍ?１００ｃｍ）２００Ｌ圆柱容器，置于室温下持续３周后取样进行测定，实验采用４个圆柱，其中空白（ＣＫ）２个平行，输入硫酸盐（Ｓ５００）２个平行．上覆水用虹吸管取样，每次取样３００ｍＬ，且每次取样后不再添加新鲜上覆水于培养体系中；沉积物样品用柱状采样器（Φ６ｃｍ?５０ｃｍ）采集，采集后的沉积物样品等间距分上二中二下３层，不同分层的新鲜沉积物在４０００ｒ四ｍｉｎ－１的速度下离心１０ｍｉｎ得到间隙水，用于分析的沉积物样品进行冷冻干燥处理．培养前３周，每周进行采样测定，随着培养温度逐渐降低，每隔２周进行采样测定，冬季培养温度最低的时候，采样间隔拉大，培养后期随着培养温度逐渐升高，并伴随着季节交替以及温度的变化，每２ ３周进行采样测定，整个实验时间为２０１１年１０月至２０１２年９月．２．３一测定项目及方法

２．３．１一沉积物基本理化性质和有机质的测定一沉积物不同分层的ｐＨ和Ｅｈ分别用ｐＨｓ?３Ｃ型数字式酸度计和氧化还原电极原位测定．沉积物中有机质

１１２

环一一境一一科一一学一一学一一报３４卷

的含量采用重铬酸钾容量法?稀释热法测定（鲍士旦，

２０００），准确称取过１００目筛冷冻干燥沉积物样品０ ２０００ｇ，加入重铬酸钾溶液，转动三角瓶使之混合均匀，然后加入浓硫酸，利用浓硫酸和重铬酸钾迅速混合时产生的热来氧化有机质，加水稀释后，加入３ ４滴邻菲罗啉指示剂，用硫酸亚铁标准溶液滴定．

２．３．２一上覆水和沉积物总磷二有机磷的测定一上覆水总磷采用钼酸铵分光光度法（袁玉璐等，１９８９）测定，沉积物总磷采用ＳＭＴ法进行测定（Ｒｕｂａｎｅｔａｌ．，

２００１），采用灼烧法测定沉积物有机磷（鲍士旦，２０００）．

２．３．３一沉积物磷酸酶活性的测定一沉积物中磷酸酶活性的测定方法参见土壤中的测定方法（鲁如坤，２０００），基于磷酸酶能够水解对硝基苯磷酸盐，通过比色测定反应后释放的对硝基苯酚的含量，来估算磷酸酶的活性．准确称取１．００００ｇ新鲜沉积物于５０ｍＬ三角瓶中，加入０．２ｍＬ甲苯，４ｍＬ缓冲溶液和１ｍＬ对硝基苯磷酸二钠溶液（磷酸二酯酶活性的测定加入双对硝基苯磷酸钠溶液），轻摇混匀并塞上瓶塞，在３７?下培养１ｈ，然后加入１ｍＬ０ ５ｍｏｌ四Ｌ－１

的ＣａＣｌ２溶液和４ｍＬ０．５ｍｏｌ四Ｌ

－１

的ＮａＯＨ

溶液（磷酸二酯酶活性的测定加入ｐＨ８．０的ＴＨＡＭ?ＮａＯＨ溶液），轻摇几秒钟后，滤纸过滤．在

４２０ｎｍ的波长下进行比色，测定溶液的吸光值，然后换算成单位时间内对硝基苯酚的产生量．２．３．４一沉积物中解磷菌计数一用于分离二鉴定湖泊沉积物中有机磷解磷菌及无机磷解磷菌的固体培养基（李文红等，２００６）配制方法如下．（１）无机磷解磷菌培养基：葡萄糖１０ｇ，酵母粉

０．５ｇ，ＣａＣｌ２０．１ｇ，ＭｇＳＯ４四７Ｈ２Ｏ０．３ｇ，蒸馏水１０００

ｍＬ，琼脂２０ｇ，同时每５０ｍＬ中加入１０ｍＬ质量分数为１００ｇ四ｋｇ－１的ＣａＣｌ２和１ｍＬ质量分数为

１００ｇ四ｋｇ－１的Ｋ２ＨＰＯ４混合液，充分混匀，用０．１ｍｏｌ四Ｌ－１ＮａＯＨ溶液调节ｐＨ为７．０，于高压蒸汽灭菌锅灭菌２０ｍｉｎ待用．

（２）有机磷解磷菌培养基（卵黄培养基）：蛋白

胨１０ｇ，牛肉膏３ｇ，ＮａＣｌ５ｇ，琼脂１５ｇ，蒸馏水１０００ｍＬ，同上调节ｐＨ为７．０，灭菌２０ｍｉｎ，临用时每５０ｍＬ中加入新鲜蛋黄液３ｍＬ（蛋黄与生理盐水等比

例混合）．

沉积物中的解磷菌采用常规十倍稀释法稀释样品，取适宜稀释度样品０．ｌｍＬ，分别涂布于有机磷和无机磷固体培养基平板上，有机磷细菌在（２９?１）?的条件下培养２ｄ，无机磷细菌培养７ｄ，

具有透明圈的菌落视为具有解磷活性的菌落，并采用稀释平板法进行计数．

２．３．５一数据统计分析方法一统计分析采用ＳＡＳ８ １数据分析软件（ＳＡＳｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９９９ ２０００），检验水平为ｐ＜０．０５二ｐ＜０．０１．３一结果与讨论（Ｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ）３．１一沉积物ｐＨ和Ｅｈ的变化

外源ＳＯ２－

４

对沉积物不同分层ｐＨ和Ｅｈ的影响如图１所示．沉积物不同分层ｐＨ

的变化趋势总体

图１一沉积物上层（ａ）二中层（ｂ）二下层（ｃ）ｐＨ和Ｅｈ的变化

Ｆｉｇ．１一ＣｈａｎｇｅｓｏｆｔｈｅｐＨａｎｄＥｈｌｅｖｅｌｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒ（ａ），ｍｉｄｄｌｅ（ｂ），ａｎｄｌｏｗｅｒ（ｃ）ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ

２

１２

１期范乐等：外源硫酸盐介入下沉积物磷释放二解磷微生物及磷酸酶活性的变化

上都呈先升高后下降的趋势，ＳＯ２－４输入后，首先进入沉积物上层，实验前期沉积物不同分层ＣＫ均高

于Ｓ５００，后期随着培养温度的逐渐升高，沉积物ｐＨ

逐渐下降，这是由于温度升高，从而刺激了微生物

的生长，同时该过程中会产生挥发性酸，导致沉积

物ｐＨ下降．两个处理ｐＨ值的差距随深度逐渐减

小，且Ｙｕａｎ等（２０１１）在室内模拟武汉南湖的实验

中也发现，表层沉积物中的ＳＲＢ更容易获得上覆水

中输入的ＳＯ２－４，硫酸盐还原作用改变了沉积物表层的ｐＨ，随着沉积物深度的增加，硫酸盐还原作用对

沉积物ｐＨ的影响逐渐减小．

实验期间，沉积物不同分层都处于还原条件（Ｅｈ为负值），在这种条件下，硫酸盐还原菌（ＳＲＢ）才能正常生长，硫酸盐还原作用也得以发生．纵观两个处理沉积物Ｅｈ不同分层的变化特征，培养的前几周，沉积物Ｅｈ急剧下降，沉积物ｐＨ也急剧升高，Ｅｈ和ｐＨ呈相反的变化趋势，其他研究者也有类似结果（Ｇｏｍｅｚｅｔａｌ．，１９９９）．培养后期变化平缓，且不同分层ＣＫ的Ｅｈ值总体上略高于Ｓ５００，这是因为硫酸盐输入后，在ＳＲＢ的作用下，硫酸盐发生还原的过程中会产生Ｓ２－，从而导致沉积物的Ｅｈ降低．３．２一ＳＯ２－４输入对沉积物有机质的影响

由图２可以看出，沉积物不同分层有机质的含量变化趋势基本一致，且Ｓ５００略高于ＣＫ．硫酸盐输入后，由于硫酸盐还原的进行，沉积物有机质的含量在第２周急剧下降，值得注意的是，第４０周开始，下降更为明显，Ｓ５００第４８周沉积物不同分层有机质的含量相比初始值分别下降了３１．６％二３０．６％和３７．５％，此时的培养体系已处于夏季，随着培养温度的升高，硫酸盐还原作用也随之增强，且硫酸盐的还原伴随着有机质的降解，从而导致沉积物不同分层有机质的含量逐渐下降．湖泊沉积物中有机质的降解伴随着硫酸盐的还原，且影响沉积物磷的吸附解吸过程（Ａｎｄｅｒｓｏｎｅｔａｌ．，２００１；Ｌｕｏｅｔａｌ．，２００９），有机质的含量越高，更有利于沉积物有机磷分解释放到上覆水体（董林林，２００７）．有机质是调节大型浅水湖泊沉积物磷吸附行为的关键因素，其分解产物将以不同的方式影响磷的吸附能和最大吸附量，改变磷的饱和度以及沉积物与水相之间磷的平衡关系，并以此调节沉积物作为磷源和磷汇的功能，从而对富营养化过程实施有效的反馈（肖文娟等，２０１１）．

３．３一上覆水和沉积物总磷的变化

上覆水及沉积物总磷的变化趋势见图３．由图

３

图２一沉积物上层（ａ）二中层（ｂ）二下层（ｃ）有机质的变化Ｆｉｇ．２一Ｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｃｈａｎｇｅｓｉｎｔｈｅｕｐｐｅｒ（ａ），ｍｉｄｄｌｅ（ｂ）ａｎｄｌｏｗｅｒ（ｃ）ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ

可以看出，上覆水中总磷的变化趋势与培养体系温度的变化特征类似，硫酸盐输入后，上覆水中总磷的浓度在第１周就有所上升，第３周温度下降的过程中，上覆水中的总磷开始下降，培养后期随着培养温度的升高而升高．实验过程中，Ｓ５００均高于ＣＫ，且两个处理上覆水中总磷的浓度呈显著差异（ｐ＜０．０１），Ｃａｒａｃｏ等（１９９３）在对美国５１个湖泊的调查研究中同样发现硫酸盐的还原作用促进上覆水中磷含量增加．Ｓ５００上覆水中总磷的浓度在第４２周达到最大值０．３３ｍｇ四Ｌ－１，相比初始值增加了９１ ７％，为ＣＫ的２倍．此时培养体系已处于夏季，且相关性分析发现，Ｓ５００上覆水总磷与培养温度达到显著的正相关（ｐ＜０．０１），相关系数为０．７６８，说明温度对湖泊沉积物释磷具有显著的影响，温度升高，引起微生物大量增殖，在生长的过程中会产生挥发性酸，使沉积物ｐＨ下降，从而促进沉积物磷向上覆水释放，导致上覆水总磷的浓度升高．

水体中输入ＳＯ２－４后，对上覆水中磷的浓度产生了一定的影响，本实验于培养初期输入ＳＯ２－４后，后期培养体系已无硫酸盐输入，显然沉积物中的磷与上覆水中的磷势必存在一定的关联．不同分层沉积物中总磷的含量见图３，纵观沉积物中总磷的变化趋势，Ｓ５００和ＣＫ的不同分层沉积物中ＴＰ并没有显著性差异．我们发现培养后期，上覆水中总磷

３１２

环一一境一一科一一学一一学一一报３４卷

的浓度升高，而Ｓ５００沉积物中总磷的含量均低于ＣＫ，这说明Ｓ５００沉积物中磷释放导致上覆水的磷浓度升高．沉积物向上覆水体释放磷的过程还受上覆水中磷浓度的限制（金相灿等，２００８）．东湖沉积物磷释放临界浓度与沉积物磷含量呈正相关，沉积物磷含量越高，临界浓度越大．当上覆水磷浓度低于沉积物磷释放临界浓度时，其释放常数与上覆水磷浓度呈负相关，上覆水磷浓度越高，沉积物释磷量越低（韩沙沙等，

２００４）．

图３一上覆水（ａ）和沉积物上层（ｂ）二中层（ｃ）二下层（ｄ）总磷的

变化

Ｆｉｇ．３一ＣｈａｎｇｅｓｏｆＴＰｉｎｔｈｅｏｖｅｒｌｙｉｎｇｗａｔｅｒ（ａ）ａｎｄｉｎｔｈｅｕｐｐｅｒ

（ｂ），ｍｉｄｄｌｅ（ｃ）ａｎｄｌｏｗｅｒ（ｄ）ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ

３．４一ＳＯ２－

４

输入对沉积物有机磷的影响不同分层沉积物有机磷的变化趋势见图４．研

究表明有机磷会发生矿化而分解，溶解态磷通过扩散作用从沉积物向上覆水体扩散，从而形成磷的循环（Ｓｌｏｍｐｅｔａｌ．，１９９８）．沉积物上层二中层和下层呈现相同的变化趋势．沉积物有机磷是沉积物总磷的一部分，本实验沉积物中有机磷的含量大约占沉积物总磷的２０％左右，这与林悦涓等（２００５）报道的武汉东湖沉积物中有机磷占总磷的比例（１９．２３％）一致，南四湖沉积物中有机磷的含量约占总磷的

１２％ ２２％（王志齐等，２０１３），而滇池和红枫湖沉积物中有机磷占总磷的平均值分别达到了４６．９％和５５．４％（吴峰炜等，２００９），由此可以发现沉积物中的有机磷对湖泊的富营养化具有相当大的贡献．

ＳＯ２－４

输入后，第１周上覆水总磷浓度升高的同时，沉积物总磷和有机磷的含量就有很大程度的下降，虽然存在微生物的同化作用可能引起有机磷含量有所增高，但同时发生着有机磷矿化作用．研究表明（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１０），磷酸单酯酶和磷酸二酯酶在环境温度升高时能大量水解有机磷，分别高达

７６％和８２％．Ｓ５００不同分层沉积物有机磷的含量分别于第５周达到最大值０．４１ｇ四ｋｇ－１二０．４２ｇ四ｋｇ－１和０．４３ｇ四ｋｇ－１．后期随着培养时间的延长逐渐下降，第４８周相比第５周最大值分别下降了７３．９％二５９ ５％和８０．０％，培养体系处于夏季时，沉积物中磷酸酶的活性增加，从而对有机磷进行水解，使有机磷向无机磷转变，导致沉积物中有机磷的含量下降

．

图４一沉积物上层（ａ）二中层（ｂ）二下层（ｃ）有机磷的变化Ｆｉｇ．４一ＣｈａｎｇｅｓｏｆＯＰｉｎｔｈｅｕｐｐｅｒ（ａ），ｍｉｄｄｌｅ（ｂ），ａｎｄｌｏｗｅｒ

（ｃ）ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ

结合图２沉积物不同分层有机质的变化，我们发现从２５周开始，此时培养温度逐渐升高，沉积物不同分层有机磷于２５周至４０周整体呈下降趋势，后期有一定的增加，而沉积物中的有机质在此培养期内与有机磷呈现相反的趋势，相关性分析发现第

２５至４８周，沉积物不同分层有机质和有机磷均为负相关，其相关系数分别为－０．６１８二－０．５７５和－０．４１４，但未达到显著水平．值得注意的是，此培养期内极具代表性点第４０周，培养温度达到３１?，沉４

１２

１期范乐等：外源硫酸盐介入下沉积物磷释放二解磷微生物及磷酸酶活性的变化积物不同分层有机质的含量达到最大值，而沉积物有机磷总体上为最低值，均为显著差异（ｐ＜０．０１）．孙静等（２０１１）也发现沉积物有机质和有机磷存在一定的负相关关系．实验后期的温度主要在２０

３０?，比较适宜微生物生长，微生物增殖导致沉积物有机质含量的增加，与此同时，沉积物中有机磷在较高的微生物活性下经磷酸酶水解二细菌降解等作用后转化成生物活性磷（霍守亮等，２０１１），从而造成沉积物有机磷的含量下降．研究发现沉积物中磷酸二酯酶水解有机磷的百分比和有机质呈显著正相关（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２０１０），即有机质含量越高，有机磷越低，与本研究的结果相似．

３．５一沉积物磷酸酶活性的变化沉积物不同分层磷酸单酯酶活性的变化趋势

见图５．由图５可以看出，ＳＯ２－

４

输入后，磷酸单酯酶的活性在第１周就有所上升．值得注意的是，培养温度下降的过程中，不同分层湖泊沉积物中磷酸单酯酶的活性于２３周之前均表现出下降的趋势．结合不同分层沉积物ｐＨ值发现，此培养期内总体上均为碱性磷酸酶，同时不同分层沉积物中的总磷在此培养期内也呈现逐渐下降的趋势，已有研究发现印度热带淡水水产养殖塘系统中，湖泊沉积物碱性磷酸酶的活性随沉积物总磷含量的增减而增减（Ｂａｒｉｋｅｔａｌ．，２００１）．

实验培养后期随着温度的升高，上层沉积物磷

酸单酯酶的活性有所升高，中层和下层有一定的下降，这是由于培养体系处于夏季时，上覆水和上层沉积物ｐＨ值呈碱性，而中层和下层呈弱酸性，温度越高，碱性磷酸酶活性越强，湖泊沉积物磷的释放量越大．雍艳丽（２０１０）在研究长春新立城水库的模拟实验中也同样发现，在外源磷浓度相同的情况下，磷酸单酯酶活性的变化趋势为１０?＜１５?＜

２０?．磷酸单酯酶活性的升高意味着磷酸单酯水解为正磷酸盐，有机磷向无机磷转变，磷酸酶的活性对沉积物有机磷的矿化有着至关重要的影响．

ＳＯ２－４

输入后，不同分层沉积物磷酸二酯酶的活性于第１周达到最大值，相比初始值上层二中层和下层分别增加了９１．２％二９２．３％和８６．１％．对应沉积物中总磷和有机磷的变化（图３和图４），我们可以推知，磷酸单酯酶和磷酸二酯酶活性在第１周的剧烈上升引起了有机磷的水解，造成沉积物总磷和有机磷含量的降低，同时伴随着上覆水中总磷含量的增加．随着培养温度的降低，其活性逐渐下降，后期又随培养温度的升高有一定的上升，磷酸二酯酶活性的增加意味着更多的磷酸二酯转化为磷酸单酯，进而水解为正磷酸盐，促使有机磷向无机磷转变，从而导致水体中总磷的浓度上升，沉积物中有机磷的含量下降．我们还发现，供试沉积物中磷酸二酯酶的活性高于磷酸单酯酶的活性，这与丁敏（２０１２）研究的结果一致

．

图５一沉积物上层（ａ）二中层（ｂ）二下层（ｃ）磷酸单酯酶和磷酸二酯酶的活性

Ｆｉｇ．５一Ａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｐｈｏｓｐｈｏｍｏｎｏｅｓｔｅｒａｓｅａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｄｉｅｓｔｅｒａｓｅｉｎｔｈｅｕｐｐｅｒ（ａ），ｍｉｄｄｌｅ（ｂ）ａｎｄｌｏｗｅｒ（ｃ）ｓｅｄｉｍｅｎｔｓ

５

１２

环一一境一一科一一学一一学一一报３４卷

一一Ｓ５００沉积物不同分层磷酸单酯酶活性与磷酸二酯酶活性的相关性见表１，相关性分析发现，Ｓ５００上层沉积物磷酸单酯酶的活性和磷酸二酯酶的活性达到显著的正相关（ｐ＜０．０１），中层和下层均达到显著水平（ｐ＜０．０５）．

表１一Ｓ５００沉积物磷酸单酯酶活性与磷酸二酯酶活性的相关系数（ｒ）（Ｎ＝２１）

Ｔａｂｌｅ１一Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｐｈｏｓｐｈｏｍｏｎｏｅｓｔｅｒａｓｅ

ａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｄｉｅｓｔｅｒａｓｅｉｎｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔｓｏｆＳ５００（ｒ）（Ｎ＝２１）

磷酸单酯酶活性

磷酸二酯酶活性（上层）０．６１３?

?

磷酸二酯酶活性（中层）０．５３９

?

磷酸二酯酶活性（下层）０．４３１?

一一注：?ｐ＜０．０５；??ｐ＜０．０１．

３．６一沉积物中解磷菌数量的变化

解磷菌的自身代谢作用促进湖泊生态体系中

无机磷酸盐的溶解，同时对有机磷酸盐进行矿化，从而转化为生态有效性磷．本研究关注的是湖泊沉积物总的解磷微生物利用磷的能力，因此分别对有机磷解磷菌和无机磷解磷菌进行计数，宋炜等（２００７）对太湖沉积物中解磷菌的分布进行了研究，

结果表明解磷菌普遍存在于表层沉积物中，其数量随着深度的增加逐渐减少，故本研究只对上层沉积物中解磷菌进行了计数．图６为上层沉积物有机磷解磷菌和无机磷解磷菌数量的变化趋势，可以看出，硫酸盐的输入促使有机磷解磷菌和无机磷解磷菌在１６周即出现显著高于对照的增殖，供试湖泊上层沉积物均有解磷菌的存在，且值得注意的是，有机磷解磷菌的数量要高于无机磷解磷菌，这可能是因为供试湖泊沉积物中有机沉积物含量较多．且武汉东湖调查结果表明，在多数情况下，湖泊中有机磷解磷菌的数量比无机磷解磷菌高（李勤生等，

１９８９），长江口潮滩湿地表层沉积物中解磷菌的相关研究也有类似的发现（姜经梅等，２０１１）．

上层沉积物中有机磷解磷菌在培养后期急剧下降，而无机磷解磷菌于２８周开始急剧减少，且值得注意的是上层沉积物总磷的含量在逐渐上升，这是由于湖泊沉积物中的有机磷解磷菌能促进含磷有机物分解，从而释放出有效磷；同时无机磷解磷菌能促进不溶性无机磷转化为可溶性磷，从而导致沉积物中的磷释放到上覆水体中．与此同时，解磷菌在生命代谢的过程中会产生有机酸，这些酸一方面能直接溶解沉积物中难溶性的磷酸盐，另一方面可螯合溶解Ｆｅ?Ｐ二Ａｌ?Ｐ和Ｃａ?Ｐ中的金属离子（Ｇａｒｄｎｅｒｅｔａｌ．，１９８３），使难溶性磷酸盐溶解，促进沉积物内源磷逐渐向上覆水体释放

．

图６一上层沉积物有机磷解磷菌、无机磷解磷菌数量的变化

Ｆｉｇ．６一Ｃｈａｎｇｅｏｆｏｒｇａｎｉｃｐｈｏｓｐｈａｔｅａｎｄｉｎｏｒｇａｎｉｃｐｈｏｓｐｈａｔｅｓｏｌｕｂｉｌｉｚｉｎｇｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｉｎｔｈｅｕｐｐｅｒｓｅｄｉｍｅｎｔｓ

一一表２为上层沉积物解磷菌的数量和沉积物总磷的相关系数，相关性分析发现Ｓ５００上层沉积物解磷菌的数量和沉积物总磷的含量均为负相关，且无机磷解磷菌达到显著水平（ｐ＜０．０５）．其他研究者也发现，湖泊沉积物中解磷菌的种类和数量与沉积物中磷酸盐的含量成负相关关系（东野脉兴等，

２００３），表明湖泊沉积物中的微生物对沉积物内源磷的释放起着一定的影响，直接或间接地参与了湖泊生态系统中磷的循环．

表２一上层沉积物解磷菌与沉积物总磷的相关系数（ｒ）（Ｎ＝２１）Ｔａｂｌｅ２一Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ

ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ

ｂｅｔｗｅｅｎ

ｐｈｏｓｐｈａｔｅ

ｓｏｌｕｂｉｌｉｚｉｎｇ

ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍａｎｄＴＰｉｎｔｈｅｕｐｐｅｒｓｅｄｉｍｅｎｔｓ（ｒ）（Ｎ＝２１）

沉积物总磷有机磷解磷菌（ＣＫ）０．０９７有机磷解磷菌（Ｓ５００）－０．２４８无机磷解磷菌（ＣＫ）－０．１７５无机磷解磷菌（Ｓ５００）

－０．４６６?

一一一一注：?ｐ＜０．０５；??ｐ＜０．０１．

６

１２

１期范乐等：外源硫酸盐介入下沉积物磷释放二解磷微生物及磷酸酶活性的变化

４一结论（Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ）

１）硫酸盐还原作用导致沉积物不同分层ｐＨ短期内上升，后期逐渐降低，而Ｅｈ总体呈平缓下降；温度升高能增强沉积物中有机质的矿化．温度对沉积物释磷具有显著影响，释放的最高值出现在３０?左右，硫酸盐的输入显著提高了沉积物释磷程度，上覆水中磷含量显著增加时，对应的不同分层中沉积物总磷均低于对照，不同分层有机磷和有机质存在负相关关系．

２）硫酸盐输入后，促使解磷菌增殖的高峰期早于对照．供试沉积物３个分层中磷酸二酯酶的活性均高于磷酸单酯酶的活性．沉积物磷酸酶的活性随环境温度的升高逐渐增强，对沉积物内源磷的释放有促进作用．总体来说，湖泊沉积物中有机磷解磷菌的数量高于无机磷解磷菌，且上层沉积物解磷菌的数量和沉积物总磷的含量呈负相关，解磷菌对沉积物磷释放的作用不可忽视．

责任作者简介：华玉妹，女，华中农业大学副教授，主要从事水环境污染与修复方面的研究．Ｅ?ｍａｉｌ：ｙｍｈｕａ＠ｍａｉｌ．ｈｚａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．

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