第五章天然水中的生物營(yíng)養(yǎng)元素§5-1

營(yíng)養(yǎng)鹽與藻類的關(guān)系§5-2

天然水中的氮§5-3

天然水中的磷§5-4

天然水中的硅和微量營(yíng)養(yǎng)元素§5-5

天然水的富營(yíng)養(yǎng)化§5-1營(yíng)養(yǎng)鹽與藻類的關(guān)系一、必需元素和非必需元素植物正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需而不能用其他元素代替的營(yíng)養(yǎng)元素。生理功能：構(gòu)成植物體有機(jī)結(jié)構(gòu)的組成成分，參與酶促反應(yīng)或能量代謝及生理調(diào)節(jié)。常量必需元素：N、P、K、Ca、Mg、S、C、H、O微量必需元素：Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、Cl等必需元素與非必需元素含量對(duì)生物生長(zhǎng)的影響微量元素濃度微量元素濃度缺乏適宜中毒致死可耐受中毒致死產(chǎn)生量(a)(b)微量元素的缺乏與過量對(duì)生物的影響(a)必需元素(如Cu、Zn)；(b)非必需元素(如Pb、Cd)米氏常數(shù)Km的獲得VmaxV[S]KmVmax/2

–Km截距=Km/Vmax斜率=1/Vmax[S][S]VKm等于最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度。Km的意義Km可表示酶與底物之間的親和力：Km值越大親和程度越小，酶活性越低。Km可用于比較不同浮游植物吸收營(yíng)養(yǎng)鹽能力的大小,也可作為藻類細(xì)胞能正常生長(zhǎng)所需維持水中有效形式營(yíng)養(yǎng)鹽的臨界濃度。在光強(qiáng)、水溫及其它條件適宜而營(yíng)養(yǎng)鹽含量較低時(shí)，Km值越小的浮游植物越容易發(fā)展成為優(yōu)勢(shì)種；Km值越大的浮游植物會(huì)因缺乏營(yíng)養(yǎng)鹽使生長(zhǎng)受到限制。而當(dāng)營(yíng)養(yǎng)鹽過于豐富時(shí)，浮游植物群落結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯變化，可能導(dǎo)致某些有害浮游植物的迅速繁殖(1)水中營(yíng)養(yǎng)元素有效形態(tài)的實(shí)際濃度[S]太低(通常要求水體營(yíng)養(yǎng)元素的[S]應(yīng)維持在3Km（吸收速率=0.75Vmax)以上;(2)各種營(yíng)養(yǎng)元素有效形態(tài)的濃度比例不適合浮游植物的需要;(3)水中營(yíng)養(yǎng)鹽的總儲(chǔ)存量或補(bǔ)給量不足;(4)向藻類細(xì)胞表面遷移補(bǔ)給有效營(yíng)養(yǎng)鹽的速率不足。影響天然水體初級(jí)產(chǎn)量與生產(chǎn)速率的限制因素１.游離態(tài)氮(N2)天然水中游離態(tài)氮(N2)很豐富。由大氣溶氮，地表水N2近飽和，在海洋中也可達(dá)20mg/Kg，而其它可溶性氮化合物僅為0.7mg/Kg。故一般天然水域中游離氮是保守的。２.硝酸態(tài)氮（NO3--N）氮的氧化最終形態(tài)；在通氣良好的天然水域，在各種無機(jī)化合態(tài)氮中占優(yōu)勢(shì)。在缺氧水體中易被還原。一、天然水中氮存在形式§5-2天然水中的氮游離態(tài)氮、氨氮、亞硝氮、硝酸氮、有機(jī)氮水體NH3分布受pH、S，t影響；其中pH越高，NH3分布系數(shù)越大。非離子氨的求算池塘中氮主要來源于肥料和飼料。進(jìn)入水體中的氮一般以氨的形式存在。這些氮來源于魚鰓排泄物和細(xì)菌的分解作用。據(jù)研究，飼料中的氮有60-70％被排泄到水體中，因此水產(chǎn)養(yǎng)殖生態(tài)中總氮濃度與投飼率及飼料蛋白含量有直接關(guān)系，在精養(yǎng)池中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)對(duì)魚類有害的“富氮”。

養(yǎng)殖水體中氮的主要來源魚池中施入大量畜禽糞肥，分解產(chǎn)生無機(jī)氮。注入含有大量氮化合物的生活和工業(yè)混合水。水生生物和魚類的代謝產(chǎn)物中含有氮。含氮有機(jī)物在微生物的參與下降解產(chǎn)生氨的過程。1.氨化作用一般含氮有機(jī)物在環(huán)境中生物降解較不含氮有機(jī)物更難，其產(chǎn)物污染性強(qiáng)；含氮有機(jī)物降解產(chǎn)物與不含氮有機(jī)物的降解產(chǎn)物會(huì)發(fā)生相互作用，影響整個(gè)降解過程。氨化的速度受pH影響，中性弱堿性環(huán)境的效率高。含氮有機(jī)物需氧生物NH4++CO2+SO42-+H2ONH4++CO2+胺類

+有機(jī)酸厭氧生物含氮有機(jī)物2.同化作用不同種類的水生植物其有效氮的形式可能有所不同，但對(duì)一般藻類而言，有效氮指的主要是無機(jī)氮化合物天然水體有效氮濃度經(jīng)常保持在20mol/L以上是必要的。但為防止富營(yíng)養(yǎng)化，有效氮濃度以不超過20mol/L為宜。水生植物利用天然水中的氮等合成自身物質(zhì)的過程。光合作用生物生產(chǎn)率：C106H263O110N16P+138O2呼吸作用藻類自養(yǎng)生物異養(yǎng)生物106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++微量元素+能量藻類構(gòu)成比：C/N/P=106/16/13.硝化作用2NH4++3O2

4H++2NO2-+2H2O+能量亞硝化菌2NO2-+O2

2NO3-+能量硝化菌硝化過程釋放的H+可與HCO3-結(jié)合，對(duì)水中溶解氧和堿度有較大的影響：以CO2為碳源自養(yǎng)菌總反應(yīng)：NH4++1.83O2+1.99HCO3-

0.021C5H7NO2+1.88H2CO3+0.98NO3-硝化作用適宜pH:7.88.9pH>9.5時(shí)硝化菌受抑制pH<6.0時(shí)亞硝化菌受抑制4．脫氮（反硝化作用）總反應(yīng)：N2(CH2O)106(NH3)16H3PO4+84.8HNO3→106CO2+42.4N2+148.4H2O+16NH3+H3PO4NH3進(jìn)一步與HNO3作用:5NH3+3HNO3=4N2+9H2OHNO3+2HHNO2+H2O；HNO2

+2H

HNO+H2O2HNO+2H

N2+2H2O;2HNO

N2O+H2O在微生物活動(dòng)的作用下，硝酸鹽或亞硝酸鹽被還為N2O或N2的過程(生物圈氮每年脫除率95%）

。

條件：缺氧(<0.150.5mg/L),脫氮菌,pH7-8適宜,pH<5停止。HNO3

HNO2

{HON=NOH}

次亞硝酸

2NH2OH2NH3(次要)N2(主要)N2O(主要)三、天然水體中無機(jī)態(tài)氮與養(yǎng)殖生物的關(guān)系NH4+(NH3)、NO3-、NO2-是藻類能直接吸收利用的氮形態(tài)，在適宜的濃度范圍內(nèi)，增加其含量，可提高浮游植物的生物量，提高天然餌料基礎(chǔ)，促進(jìn)養(yǎng)殖生產(chǎn)；無機(jī)態(tài)氮含量過高，水體富營(yíng)養(yǎng)化，對(duì)養(yǎng)殖產(chǎn)生有害影響。污水的排放給水體帶來大量的無機(jī)態(tài)氮；養(yǎng)殖業(yè)本身，導(dǎo)致NH4+(NH3)的積累；(1)非離子氨對(duì)水生生物生長(zhǎng)抑制，能降低的魚類產(chǎn)卵能力，損害鰓組織導(dǎo)致死亡。我國(guó)漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值：TNH4-N≤0.2mg/L，NH3-N≤0.02mg/L。pH,溶氧,硬度等水質(zhì)條件不同，TNH4-N的毒性亦不相同。

措施：定期檢測(cè)水中氨的指標(biāo)，及時(shí)清理排除養(yǎng)殖水域底層的污垢及水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物排泄的糞便等。四、水中氮的分布變化規(guī)律河水無機(jī)氮含量>海水時(shí)間分布：夏季無機(jī)氮因浮游植物活動(dòng)繁茂而氮含量降低，之后TNH4-N、NO2--N、NO3--N依次上升，冬季NO3—N達(dá)到最大值；空間分布：

水平分布——沿岸、河口水域>大洋，太平洋、印度洋>大西洋；高緯度海域>低緯度海域。

垂直分布——在真光層，生物吸收導(dǎo)致無機(jī)氮含量較低，隨深度微生物有機(jī)物代謝作用，使其含量逐漸增大。天然水體受生物因素及水文狀況影響，因而水體深度和季節(jié)表現(xiàn)出明顯差別?！?-3天然水中的磷生物生長(zhǎng)需磷量比氮少，但天然水中缺磷現(xiàn)象卻比氮明顯。一、天然水中磷的存在形態(tài)

溶解態(tài)無機(jī)磷:(DIP)顆粒態(tài)磷(0.45m)溶解態(tài)磷溶解態(tài)有機(jī)磷:(DOP)PO43-、HPO42-、H2PO4-、H3PO4P2O74-、P3O105-磷蛋白、磷脂、糖類磷酸酯、氨基酸磷酸、磷核苷酸等顆粒態(tài)無機(jī)磷(PIP):Ca3(PO4)2、FePO4顆粒態(tài)有機(jī)磷(POP):DNA、RNA測(cè)定：磷鉬藍(lán)或或鉬銻鈧光度法。磷鉬藍(lán)是將磷酸與酸性鉬酸銨生成黃色磷鉬雜多酸，然后用還原劑將黃色的磷鉬雜多酸還原成磷鉬雜多藍(lán)。活性磷(PO4-

P)：凡能與酸性鉬酸鹽反應(yīng)的部分，包括磷酸鹽、部分溶解態(tài)有機(jī)磷吸附在懸浮物表面的磷酸鹽及部分在酸性中可溶解的顆粒態(tài)無機(jī)磷(如Ca(PO4)2、FePO4等)；非活性磷：不與酸性鉬酸鹽反應(yīng)的部分；有效磷：能被水生植物吸收利用的部分稱為有效磷，一般指活性磷。二、天然水體中活性磷酸鹽的分布變化及其影響因素磷酸鹽巖溶解的磷酸鹽植物動(dòng)物磷酸鹽化細(xì)菌海洋沉積(一)參與天然水中磷循環(huán)的各種因素生物有機(jī)殘?bào)w的分解礦化（自溶）沉積物的釋放水生生物的分泌與排泄水生生物的吸收物理化學(xué)過程(沉淀、吸附、溶解）其它非生物學(xué)過程：地表徑流、人工施肥、生活污水等影響耗磷作用環(huán)境因子水生生物的吸收利用—藻類在吸收利用有效氮和有效磷時(shí)按P/N=1:16(或15)的比例進(jìn)行?！∮沃参飳?duì)有效磷的吸收速率與水中有效磷濃度的關(guān)系也符合米氏方程。不同種浮游植物吸收利用有效磷的能力差異懸殊。—水中有效磷濃度[P]應(yīng)保持不低于0.05mg/L。地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定湖泊水庫(kù)的總磷：一類水0.01mg/L，二類水0.025mg/L，三類水0.05mg/L。粘土微?；蚰z粒的吸附（HPO42-）有機(jī)物質(zhì)的螯合（金屬離子）水中鈣、鎂、鐵、鋁生成難溶于水的磷酸鹽（二）天然水中磷酸鹽的分布變化——季節(jié)變化/垂直分布/水平分布淡水中磷酸鹽含量最大值多出現(xiàn)在冬季或早春，最小值多出現(xiàn)于暖季的后期；最高有效磷含量為1.5-3.5mol/L。在水體停滯分層時(shí)，表層水由于植物吸收消耗，有效磷?？山档椭翙z測(cè)不出，底層水因有機(jī)物礦化、沉積物補(bǔ)給而含量較高。海水中磷含量最大濃度為15-30mol/L，近岸因大陸徑流的排入其磷酸鹽濃度常比遠(yuǎn)岸高；缺氧海盆或上升流含量高(>0.1mg/L)，熱帶的表層水中濃度較低(3-6mol/L)。水平分布海洋磷含量沿岸、河口水域>大洋；太平洋、印度洋>大西洋；高緯度海域>低緯度海域；海洋浮游植物繁盛季節(jié)，沿岸、河口水域表層海水中活性磷含量可降到很低水平(0.1mol/L)。含磷污水等大量排入，可能會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化污染。垂直分布在真光層，浮游生物大量吸收磷，致使有效磷含量很低，隨深度的增大，其含量逐漸增大，在河口、近岸地區(qū)，磷的垂直分布明顯受生物活動(dòng)、底質(zhì)條件與水文狀況的影響。季節(jié)變化夏季含量很低，秋季含量上升，冬季達(dá)高峰，春季開始下降。一、天然水中的含硅化合物§5-4天然水中的硅和微量營(yíng)養(yǎng)元素存在形態(tài)：可溶性硅酸鹽、膠體、懸浮物以及作為硅藻組織的硅等。可溶性硅大多以正硅酸及其鹽類存在，硅酸是弱酸，可按下式電離：

H2SiO3=H++HSiO3-K1=3.910-10HSiO3-=H++SiO32-K2=1.9510-13在pH<8，95%以H2SiO3存在，在海水pH值條件下，硅酸鹽易聚合為聚合硅酸鹽。

測(cè)定：溶解狀態(tài)的硅酸鹽及膠體硅通?？捎眯纬晒桡f酸絡(luò)合物比色法測(cè)定，活性硅酸鹽(SiO3-Si)：一般把能與鉬酸銨試劑反應(yīng)而被測(cè)出的部分硅化合物稱活性硅酸鹽?；钚怨杷猁}大都能為硅藻吸收利用，為水中有效硅含量指標(biāo)。含量：天然淡水SiO3-Si含量1.5~66mmol/L，海洋中溶解態(tài)硅的平均濃度為1.0mg/L。通常認(rèn)為硅不是限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。硅元素的循環(huán)1）生物循環(huán)：硅藻的吸收利用硅藻藻體的分解礦化2）無機(jī)循環(huán)：硅巖石的風(fēng)化、含硅懸浮物的溶解等淡水：活性硅酸鹽含量也類似于有效氮和活性磷酸鹽，具有明顯的時(shí)空分布變化規(guī)律。海水：外海活性硅酸鹽的含量較低。隨著深度的增大而增大，底層海水可高達(dá)1000mol/L以上；季節(jié)不同其濃度可相差100倍以上。硅元素分布變化規(guī)律二、鐵天然水中的鐵有+2與+3兩種價(jià)態(tài)：Fe2+、Fe3+、Fe(OH)2、Fe(OH)3、FeCO3、FeS及Fe2S3等4Fe