天然水中的营养物质及其循环.docVIP

第四章 天然水中的营养物质及其循环 一切生物的生命活动都离不开生存环境的无机元素, 这些元素是生命起源、生物进化的物质基础。绿色植物的光合作用吸收利用环境中的CO2、H2O及各种无机盐合成自身物质，动物以植物为食物也间接取之于无机。按照元素在生物生理方面的功能和需要，可将组成生物体的元素划分为必需元素和非必需元素。如果某种元素被证明至少是某种生物所必需的，则该元素称为必需元素。必需元素是直接参与生物的营养，其功能不能被别的元素替代、生物生命活动不可缺少的元素。现在证明的植物必需元素仅十几种，其中需要量大的称为常量必需元素，例如N、P、K、Ca、Mg、S、C、H、O；需要量很少的则称为微量必需元素，例如Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、Cl等。 天然水中在水生植物的生长繁殖过程中被吸收利用N、P、Si元素的可溶性无机化合物为生物体的重要组成元素。例如生物体的蛋白质中，氮元素和磷元素的含量分别约为10%和0.7%；磷元素在脂肪中的含量达2%；硅元素是硅质生物（如硅藻等）的重要组成元素。但这些元素在然水中的含量通常很低，在浮游植物大量繁殖的季节，它们有效形式的含量甚至降至吸收临界值之下，从而影响藻类的生长繁殖，限制了水体初级生产（即基础生产）的速率和产量。因此通常把天然水中可溶性N、P、Si的无机化合物称为水生植物营养盐，把组成这些营养盐的主要元素N、P、Si称为营养元素或生原要素。 第一节 氮元素及其循环 一、天然水中氮元素的存在形式 天然水域中，最丰富形式是溶解游离态氮气。化合态氮包括无机化合物（氨态氮、亚硝酸态氮、硝酸态氮）和有机态氮（尿素、氨基酸、蛋白质）等。 1．溶解氮气 天然水中氮的最丰富形式是溶解游离态氮气，它主要来自空气的溶解。地表水中的游离氮的含量为近饱和值。由于脱氮作用以及固氮作用可能改变其含量，但其影响不大，在天然水域中，游离态氮的行为基本上是保守的。 2．硝酸态氮（NO3--N） 在通气良好的天然水域，NO3-—N是含氮化合物的稳定形式，在各种无机化合态氮中占优势。因为它是含氮物质氧化的最终产物，但在缺氧水体中可受反硝化菌的作用而被还原。 3．亚硝酸态氮（NO2--N） 天然水中NO2--N通常比其它形式的无机氮的含量低，NO2--N是NH3-N和NO3--N之间的一种中间氧化状态，它可以作为NH3-N的氧化和NO3--N的还原的一种过渡形式，而且在自然条件下，这两种过程受微生物的作用而活化，因此它是一种不稳定的形式。 4．氨态氮（NH3-N） 天然水的NH3-N主要来自含氮有机物在微生物作用下的分解即氨化作用。氨化作用在好气及厌气条件下都可进行，效率相差不，但最终的产物有所不同： 含氮有机物NH4++CO2+SO42-+H2O 含氮有机物NH4++CO2+胺类有机酸类 氨化的速度受pH值影响，以中性、弱碱性环境的效率较高。 NH4+在天然水中存在如下水解反应：NH4++H2O=NH3+H3O+ 二、天然水中氮元素的循环 1. 浮游植物对营养元素的吸收与释放 水中浮游生物是营养元素的直接或间接摄取者, 他们死亡腐解后又释放出营养元素.Redfield（1934）与Fleming（1940）经过大量分析提出浮游生物体中主要元素的原子数平均比Redfield比值： CN:P=106:16:。1 106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H+(+微量元素+能量)C106H263O110N16P+138O2 上述式子仅是浮游植物对营养元素吸收该反应复杂，C106H263O110N16P不是分子式而是化学式，也可表示为(CH2O)106(NH3)16H3PO4，称为浮游生物式量式。 在海洋和湖泊中，营养元素和溶解氧的垂直分布呈分层状态。在光合作用中，氮（NO3—N、NH3—N）、磷酸盐及碳（CO2、HCO3-）一起被摄取，其比例按Redfield比值。这些生物产生的颗粒在沉淀以后，进行呼吸（氧化）作用的结果，把这些元素重新以近似相同的比例释放。 若水中的溶解氧逐渐被有机物氧化消耗完，嫌气微生物将HNO3进行嫌气脱氮作用 (CH2O)106(NH3)16H3PO4+94.4HNO3→106CO2+55.2N2+177.2H2O+H3PO4 据测定大洋海水N/P的平均比值为15/1，这与浮游生物体内N/P比值颇为接近。浮游植物同时消耗磷酸盐和硝酸盐，因此这两种营养盐的含量应以同样的方式变化，而海洋中N/P比值应保持恒定。 2. 藻类吸收营养盐的速率 藻类细胞对营养盐吸收是一复杂的酶促生物化学反应过程，其反应速度和底物浓度的关系遵从Michaelis-Monten方程（以下简称米氏方程）： V=-= （4-1） 式中V为酶促反应速度，