太湖沉積物微生物對營養(yǎng)鹽的響應(yīng)及反饋特征

平湖的富營養(yǎng)化已成為世界問題。在富營養(yǎng)化的湖泊中，有許多生物化學(xué)測量特征的研究。例如，改變水體的氮和磷比會導(dǎo)致水體的富營養(yǎng)化。對沉積物微生物生物量（ml）與沉積物化學(xué)計量之間的關(guān)系的研究也受到了不同國家生態(tài)專家和生物經(jīng)濟學(xué)家的熱愛負擔(dān)。沉積物微生物對沉積物總污染物的再次釋放起著重要作用,主要表現(xiàn)在兩方面:1)微生物降解作用;2)通過同化、異化、改變環(huán)境條件來影響沉積物的營養(yǎng)鹽及金屬元素的分布、轉(zhuǎn)化等.沉積物微生物量生物碳、氮、磷是沉積物有效營養(yǎng)鹽活性庫的主要部分,研究湖泊沉積物MB大小、分布及其與沉積物營養(yǎng)鹽的相關(guān)性,對于了解沉積物中生源要素的循環(huán)、水體富營養(yǎng)化及藍藻水華爆發(fā)機理等具有重要意義.國內(nèi)外對此開展了一系列研究.其中Mills等發(fā)現(xiàn)MB與沉積物碳之間明顯相關(guān);張東升等在對東太平洋沉積物研究時發(fā)現(xiàn)MB與沉積物的總?cè)~綠素含量的水平分布呈顯著正相關(guān),而總有機碳與MB和葉綠素含量的相關(guān)性不顯著;Dobbs發(fā)現(xiàn)深海MB與有機碳含量的關(guān)系并不非常密切;毛海芳等發(fā)現(xiàn)湖泊沉積物柱芯中的MB隨深度增加而減少,沉積物MB與含水率、總氮和活性有機碳呈顯著相關(guān)性.這些結(jié)果表明MB與沉積物營養(yǎng)鹽之間存在一定的相關(guān)性.太湖近年來藍藻頻繁爆發(fā),嚴重影響當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ?其沉積物污染物二次釋放對藍藻爆發(fā)具有重要作用,針對其底泥微生物的特性也開展了較多研究,如詹忠等研究了微生物對太湖沉積物總磷分布的影響,發(fā)現(xiàn)微生物活動影響沉積物氧化還原電位、pH值和磷遷移;王強等對太湖不同種類微生物的時空分布進行了細致研究.沉積物中微生物對湖泊環(huán)境的影響已成為研究熱點之一,但目前對太湖沉積物MB與湖泊沉積物營養(yǎng)鹽的相關(guān)性研究還未見報道.本文采用液態(tài)氯仿-熏蒸提取法,測定太湖沉積物微生物生物量碳、氮、磷,獲得太湖沉積物微生物生物量及其空間分布;同時測定太湖沉積物總有機碳(totalorganiccarbon,TOC)、總氮(totalnitrogen,TN)、總磷(totalphosphorous,TP)含量及其空間差異,進而對微生物生物量與太湖沉積物TOC、TN、TP做相關(guān)性分析,以期闡明太湖沉積物MB與沉積物營養(yǎng)鹽的相互關(guān)系.1研究領(lǐng)域和方法1.1采樣點設(shè)置和采集太湖(30°56′—31°34′N,119°53′—120°34′E)面積2338km2,平均水深2m.太湖長期受富營養(yǎng)化的影響,水體污染嚴重,尤其是西部和北部地區(qū)受到夏季風(fēng)向和周邊環(huán)境污染的影響,較東部和南部地區(qū)污染嚴重.此次采樣在太湖8個湖區(qū)設(shè)定23個采樣點(圖1).2010年9月用彼得遜采泥器采集表層0~30cm沉積物,每個采樣點采集3個重復(fù)樣,放入采集袋中,冰箱冷藏待測.1.2測量1.2.1物量碳、氮、磷、mbp、mbp的含量廣義的微生物生物量(MB)包括微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)、磷(MBP)和硫,但通常以MBC含量來表示.本文用MBC、MBN、MBP之和表示MB.1.2.2沉積物mbp、tp的測定仿熏蒸提取法進行提取.用總有機碳自動分析儀測定K2SO4提取液中的TOC.根據(jù)熏蒸后提取液中有機碳總量(EC)計算沉積物MBC.MBC=EC/KEC式中:EC=熏蒸樣品浸提測定的TOC值-未熏蒸樣品浸提測定的TOC值;KEC為轉(zhuǎn)換系數(shù),取值0.45.采用哈希DR2800分光光度計測定TN.MBN=EN/KEN式中:EN=熏蒸樣品浸提測定的TN-未熏蒸樣品浸提測定的TN;KEN為轉(zhuǎn)換系數(shù),取值0.45.沉積物MBP的測定采用氯仿滅菌、0.5mol·L-1Na2CO3直接提取法.采用哈希DR2800測定TP,該方法具有較好的精密度和準確度.MBP=EP/KEP式中:EP=熏蒸樣品浸提測定的TP-未熏蒸樣品浸提測定的TP;KEP為轉(zhuǎn)換系數(shù),取值0.40.1.2.3沉積物tn、tp、tp底泥前處理采用自然風(fēng)干,研磨后過100目篩保存.沉積物TOC用LY/T1237—1999測定,沉積物TN用LY/T1228—1999測定,沉積物TP用LY/T1232—1999測定.1.3kriger-s檢驗根據(jù)實際采樣點數(shù)據(jù),將采樣點空間坐標導(dǎo)入ArcGIS9.2,生成采樣矢量圖.根據(jù)每個采樣點的MB、MBC、MBN、MBP值和沉積物TOC、TN、TP值,用Kriging插值法生成相應(yīng)的空間分布柵格圖.在SPSS13.0中,用非參數(shù)檢驗中的K-S檢驗,數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布,用Pearson法得出MB與沉積物碳、氮、磷相關(guān)系數(shù)以及沉積物微生物生物量碳氮比(MBC/MBN)與沉積物TOC/TN相關(guān)系數(shù),并用SPSS13.0繪圖.2結(jié)果與分析2.1mbn、mbp的區(qū)域分布從圖2可以看出,竺山灣、梅梁灣、貢湖大部分區(qū)域與東部沿岸區(qū)、東太湖以及西部沿岸區(qū)大部分區(qū)域沉積物MB較高,為48.92~262.42mg·kg-1,平均值為184.66mg·kg-1.其中,竺山灣、梅梁灣、西部沿岸區(qū)以及東太湖小部分湖區(qū)的MBC較高,為16.97~250.57mg·kg-1,平均值為127.57mg·kg-1.MBN在梅梁灣、東部沿岸區(qū)、貢湖、湖心區(qū)的部分區(qū)域較高,為5.13~39.15mg·kg-1,平均值為19.25mg·kg-1.MBP在貢湖、梅梁灣部分區(qū)域以及湖心區(qū)較高,為1.12~78.22mg·kg-1,平均值為19.09mg·kg-1.2.2沉積物tn、tp、tp的分布從圖3可以看出,沉積物TOC的高值區(qū)(≥2.30g·kg-1)主要集中在竺山灣、西部沿岸區(qū)、梅梁灣以及貢湖部分地區(qū),為0.54~3.12g·kg-1,平均值為1.59g·kg-1.沉積物TN的高值區(qū)(≥0.30g·kg-1)主要集中在貢湖、竺山灣、梅梁灣以及西部沿岸區(qū),為0.06~0.46g·kg-1,平均值為0.21g·kg-1.沉積物TP的高值區(qū)(≥1.20g·kg-1)主要集中在東部沿岸區(qū)以及湖心部分區(qū)域,為0.37~1.03g·kg-1,平均值為0.55g·kg-1.沉積物中TOC/TN在7~19,平均值為8.97.2.3沉積物mb與沉積物磷、tn、bnn的相關(guān)性從圖4可以看出,沉積物MB與沉積物TOC、TN的相關(guān)性指數(shù)平方(R2)分別為0.687和0.703,相關(guān)性系數(shù)(r)分別為0.829(P<0.05)和0.838(P<0.05),沉積物MB與沉積物TOC、TN呈顯著正相關(guān).沉積物MB與沉積物磷的相關(guān)性不顯著(圖略).沉積物MBC/BMN與沉積物C/N相關(guān)系數(shù)平方(R2)為0.702,相關(guān)系數(shù)為0.836(P<0.05),兩者顯著相關(guān)(圖5).3區(qū)域不同河流類型,沉積物toc含量高,在入湖河流MBC受到沉積物TOC、微生物群落代謝活性等多種因素的調(diào)控.太湖水體整體處于中度富營養(yǎng)狀態(tài),其中東太湖和南部沿岸區(qū)呈中營養(yǎng)狀態(tài),竺山灣、梅梁灣、五里湖、貢湖以及西部沿岸區(qū)和東部沿岸區(qū)都為富營養(yǎng)狀態(tài),豐富的有機質(zhì)為微生物提供了基本生活能量,使微生物活動加劇,MB及BMC含量較大.MBN的影響因素較復(fù)雜,受到土壤TOC、TN、MBC、土壤C/N、MBC/MBN的綜合調(diào)控.東部沿岸區(qū)水生植被較多,在有機質(zhì)供應(yīng)充足的情況下,有機氮含量相對較高,MBN含量也相對較高.MBP對環(huán)境條件極敏感,pH、溶解氧、溫度、風(fēng)浪、水生生物活動、清淤等各種活動都會產(chǎn)生很大影響,具體原因還需進一步研究.竺山灣、梅梁灣、貢湖灣以及西部沿岸區(qū)受武進港、太滆運河、漕橋河、殷村港、南溪、長興港、小溪港等不達標入湖河流的影響,有機污染比較嚴重,沉積物TOC含量較高;南部沿岸區(qū)受到東苕溪和西苕溪等入湖河流的影響,TOC含量也較高;東部沿岸區(qū)由于是太湖的出水口,有機污染較低.沉積物TN在貢湖灣地區(qū)、竺山灣、梅梁灣、西部沿岸區(qū)以及南部沿岸區(qū)的東、西苕溪進口處含量較高,這同樣與太湖入湖河流攜帶大量含氮污染物有關(guān).沉積物TP的分布可能與21世紀以來的幾次“引江濟太”工程有關(guān),“引江濟太”工程經(jīng)望亭立交樞紐由貢湖進入貢湖灣進而進入全太湖,同時開啟太浦閘排水,以維持水量平衡和改變太湖的水動力條件,長江水TP含量本身較太湖高,其中可能有大量的營養(yǎng)鹽沉積,引起貢湖灣及部分湖心地區(qū)TP含量較高.1996年之前大量含磷洗衣粉的使用,也大大增加了水體磷化合物含量.沉積物的TOC/TN可有效指示有機質(zhì)的來源,湖泊水生植物含有較多的蛋白質(zhì),其TOC/TN值一般小于10,陸源有機質(zhì)含有腐殖質(zhì),其TOC/TN通常為20~30,同時有機質(zhì)的降解也將改變TOC/TN,一般認為水體有機質(zhì)降解將使TOC/TN升高.太湖沉積物C/N在7~19,表明太湖沉積物存在陸源有機質(zhì)和湖泊水生植物雙重來源,其中陸源有機質(zhì)主要集中在西部沿岸區(qū).微生物主要利用有機物中的有機質(zhì)作為碳源,因此微生物生物量與沉積物中的有機質(zhì)呈顯著正相關(guān).這與Boudreau的研究結(jié)果一致.微生物生物量與沉積物氮也呈明顯正相關(guān),與馮峰等的研究結(jié)果一致,而微生物生物量與沉積物磷的相關(guān)性不顯著.微生物生物量碳氮比可反映微生物群落結(jié)構(gòu)信息,其顯著的變化暗示著微生物群落結(jié)構(gòu)變化,太湖沉積物微生物生物量碳氮比與沉積物TOC/TN呈顯著正相關(guān)性,進一步表明微生物群落與沉積物碳氮比之間關(guān)系緊密,可以通過調(diào)節(jié)微生物群落結(jié)構(gòu)改變沉積物碳氮比,但還需進一步深入研究微生物群落和多樣性.4湖心、湖心區(qū)和東部沿海地區(qū)太湖沉積物MB在湖體沿岸地區(qū)高于湖心區(qū);MBC在西部沿岸區(qū)以及竺山灣和梅梁灣區(qū)域較高;MBN在梅梁灣、貢湖部分區(qū)域以及靠近梅