天然水中的生物营养元素课件

第五章天然水中的生物营养元素§5-1

营养盐与藻类的关系§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营养元素§5-5

天然水的富营养化§5-1营养盐与藻类的关系一、必需元素和非必需元素植物正常生长发育所必需而不能用其他元素代替的营养元素。生理功能：构成植物体有机结构的组成成分，参与酶促反应或能量代谢及生理调节。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等必需元素与非必需元素含量对生物生长的影响微量元素浓度微量元素浓度缺乏适宜中毒致死可耐受中毒致死产生量(a)(b)微量元素的缺乏与过量对生物的影响(a)必需元素(如Cu、Zn)；(b)非必需元素(如Pb、Cd)米氏常数Km的获得VmaxV[S]KmVmax/2

–Km截距=Km/Vmax斜率=1/Vmax[S][S]VKm等于最大反应速度一半时的底物浓度。Km的意义Km可表示酶与底物之间的亲和力：Km值越大亲和程度越小，酶活性越低。Km可用于比较不同浮游植物吸收营养盐能力的大小,也可作为藻类细胞能正常生长所需维持水中有效形式营养盐的临界浓度。在光强、水温及其它条件适宜而营养盐含量较低时，Km值越小的浮游植物越容易发展成为优势种；Km值越大的浮游植物会因缺乏营养盐使生长受到限制。而当营养盐过于丰富时，浮游植物群落结构会发生明显变化，可能导致某些有害浮游植物的迅速繁殖(1)水中营养元素有效形态的实际浓度[S]太低(通常要求水体营养元素的[S]应维持在3Km（吸收速率=0.75Vmax)以上;(2)各种营养元素有效形态的浓度比例不适合浮游植物的需要;(3)水中营养盐的总储存量或补给量不足;(4)向藻类细胞表面迁移补给有效营养盐的速率不足。影响天然水体初级产量与生产速率的限制因素１.游离态氮(N2)天然水中游离态氮(N2)很丰富。由大气溶氮，地表水N2近饱和，在海洋中也可达20mg/Kg，而其它可溶性氮化合物仅为0.7mg/Kg。故一般天然水域中游离氮是保守的。２.硝酸态氮（NO3--N）氮的氧化最终形态；在通气良好的天然水域，在各种无机化合态氮中占优势。在缺氧水体中易被还原。一、天然水中氮存在形式§5-2天然水中的氮游离态氮、氨氮、亚硝氮、硝酸氮、有机氮水体NH3分布受pH、S，t影响；其中pH越高，NH3分布系数越大。非离子氨的求算池塘中氮主要来源于肥料和饲料。进入水体中的氮一般以氨的形式存在。这些氮来源于鱼鳃排泄物和细菌的分解作用。据研究，饲料中的氮有60-70％被排泄到水体中，因此水产养殖生态中总氮浓度与投饲率及饲料蛋白含量有直接关系，在精养池中经常会出现对鱼类有害的“富氮”。

养殖水体中氮的主要来源鱼池中施入大量畜禽粪肥，分解产生无机氮。注入含有大量氮化合物的生活和工业混合水。水生生物和鱼类的代谢产物中含有氮。含氮有机物在微生物的参与下降解产生氨的过程。1.氨化作用一般含氮有机物在环境中生物降解较不含氮有机物更难，其产物污染性强；含氮有机物降解产物与不含氮有机物的降解产物会发生相互作用，影响整个降解过程。氨化的速度受pH影响，中性弱碱性环境的效率高。含氮有机物需氧生物NH4++CO2+SO42-+H2ONH4++CO2+胺类

+有机酸厌氧生物含氮有机物2.同化作用不同种类的水生植物其有效氮的形式可能有所不同，但对一般藻类而言，有效氮指的主要是无机氮化合物天然水体有效氮浓度经常保持在20mol/L以上是必要的。但为防止富营养化，有效氮浓度以不超过20mol/L为宜。水生植物利用天然水中的氮等合成自身物质的过程。光合作用生物生产率：C106H263O110N16P+138O2呼吸作用藻类自养生物异养生物106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++微量元素+能量藻类构成比：C/N/P=106/16/13.硝化作用2NH4++3O2

4H++2NO2-+2H2O+能量亚硝化菌2NO2-+O2

2NO3-+能量硝化菌硝化过程释放的H+可与HCO3-结合，对水中溶解氧和碱度有较大的影响：以CO2为碳源自养菌总反应：NH4++1.83O2+1.99HCO3-

0.021C5H7NO2+1.88H2CO3+0.98NO3-硝化作用适宜pH:7.88.9pH>9.5时硝化菌受抑制pH<6.0时亚硝化菌受抑制4．脱氮（反硝化作用）总反应：N2(CH2O)106(NH3)16H3PO4+84.8HNO3→106CO2+42.4N2+148.4H2O+16NH3+H3PO4NH3进一步与HNO3作用:5NH3+3HNO3=4N2+9H2OHNO3+2HHNO2+H2O；HNO2

+2H

HNO+H2O2HNO+2H

N2+2H2O;2HNO

N2O+H2O在微生物活动的作用下，硝酸盐或亚硝酸盐被还为N2O或N2的过程(生物圈氮每年脱除率95%）

。

条件：缺氧(<0.150.5mg/L),脱氮菌,pH7-8适宜,pH<5停止。HNO3

HNO2

{HON=NOH}

次亚硝酸

2NH2OH2NH3(次要)N2(主要)N2O(主要)三、天然水体中无机态氮与养殖生物的关系NH4+(NH3)、NO3-、NO2-是藻类能直接吸收利用的氮形态，在适宜的浓度范围内，增加其含量，可提高浮游植物的生物量，提高天然饵料基础，促进养殖生产；无机态氮含量过高，水体富营养化，对养殖产生有害影响。污水的排放给水体带来大量的无机态氮；养殖业本身，导致NH4+(NH3)的积累；(1)非离子氨对水生生物生长抑制，能降低的鱼类产卵能力，损害鳃组织导致死亡。我国渔业水质标准限值：TNH4-N≤0.2mg/L，NH3-N≤0.02mg/L。pH,溶氧,硬度等水质条件不同，TNH4-N的毒性亦不相同。

措施：定期检测水中氨的指标，及时清理排除养殖水域底层的污垢及水产养殖动物排泄的粪便等。四、水中氮的分布变化规律河水无机氮含量>海水时间分布：夏季无机氮因浮游植物活动繁茂而氮含量降低，之后TNH4-N、NO2--N、NO3--N依次上升，冬季NO3—N达到最大值；空间分布：

水平分布——沿岸、河口水域>大洋，太平洋、印度洋>大西洋；高纬度海域>低纬度海域。

垂直分布——在真光层，生物吸收导致无机氮含量较低，随深度微生物有机物代谢作用，使其含量逐渐增大。天然水体受生物因素及水文状况影响，因而水体深度和季节表现出明显差别。§5-3天然水中的磷生物生长需磷量比氮少，但天然水中缺磷现象却比氮明显。一、天然水中磷的存在形态

溶解态无机磷:(DIP)颗粒态磷(0.45m)溶解态磷溶解态有机磷:(DOP)PO43-、HPO42-、H2PO4-、H3PO4P2O74-、P3O105-磷蛋白、磷脂、糖类磷酸酯、氨基酸磷酸、磷核苷酸等颗粒态无机磷(PIP):Ca3(PO4)2、FePO4颗粒态有机磷(POP):DNA、RNA测定：磷钼蓝或或钼锑钪光度法。磷钼蓝是将磷酸与酸性钼酸铵生成黄色磷钼杂多酸，然后用还原剂将黄色的磷钼杂多酸还原成磷钼杂多蓝。活性磷(PO4-

P)：凡能与酸性钼酸盐反应的部分，包括磷酸盐、部分溶解态有机磷吸附在悬浮物表面的磷酸盐及部分在酸性中可溶解的颗粒态无机磷(如Ca(PO4)2、FePO4等)；非活性磷：不与酸性钼酸盐反应的部分；有效磷：能被水生植物吸收利用的部分称为有效磷，一般指活性磷。二、天然水体中活性磷酸盐的分布变化及其影响因素磷酸盐岩溶解的磷酸盐植物动物磷酸盐化细菌海洋沉积(一)参与天然水中磷循环的各种因素生物有机残体的分解矿化（自溶）沉积物的释放水生生物的分泌与排泄水生生物的吸收物理化学过程(沉淀、吸附、溶解）其它非生物学过程：地表径流、人工施肥、生活污水等影响耗磷作用环境因子水生生物的吸收利用—藻类在吸收利用有效氮和有效磷时按P/N=1:16(或15)的比例进行。—浮游植物对有效磷的吸收速率与水中有效磷浓度的关系也符合米氏方程。不同种浮游植物吸收利用有效磷的能力差异悬殊。—水中有效磷浓度[P]应保持不低于0.05mg/L。地表水水质标准规定湖泊水库的总磷：一类水0.01mg/L，二类水0.025mg/L，三类水0.05mg/L。粘土微粒或胶粒的吸附（HPO42-）有机物质的螯合（金属离子）水中钙、镁、铁、铝生成难溶于水的磷酸盐（二）天然水中磷酸盐的分布变化——季节变化/垂直分布/水平分布淡水中磷酸盐含量最大值多出现在冬季或早春，最小值多出现于暖季的后期；最高有效磷含量为1.5-3.5mol/L。在水体停滞分层时，表层水由于植物吸收消耗，有效磷常可降低至检测不出，底层水因有机物矿化、沉积物补给而含量较高。海水中磷含量最大浓度为15-30mol/L，近岸因大陆径流的排入其磷酸盐浓度常比远岸高；缺氧海盆或上升流含量高(>0.1mg/L)，热带的表层水中浓度较低(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；高纬度海域>低纬度海域；海洋浮游植物繁盛季节，沿岸、河口水域表层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，可能会造成水体富营养化污染。垂直分布在真光层，浮游生物大量吸收磷，致使有效磷含量很低，随深度的增大，其含量逐渐增大，在河口、近岸地区，磷的垂直分布明显受生物活动、底质条件与水文状况的影响。季节变化夏季含量很低，秋季含量上升，冬季达高峰，春季开始下降。一、天然水中的含硅化合物§5-4天然水中的硅和微量营养元素存在形态：可溶性硅酸盐、胶体、悬浮物以及作为硅藻组织的硅等。可溶性硅大多以正硅酸及其盐类存在，硅酸是弱酸，可按下式电离：

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值条件下，硅酸盐易聚合为聚合硅酸盐。

测定：溶解状态的硅酸盐及胶体硅通常可用形成硅钼酸络合物比色法测定，活性硅酸盐(SiO3-Si)：一般把能与钼酸铵试剂反应而被测出的部分硅化合物称活性硅酸盐。活性硅酸盐大都能为硅藻吸收利用，为水中有效硅含量指标。含量：天然淡水SiO3-Si含量1.5~66mmol/L，海洋中溶解态硅的平均浓度为1.0mg/L。通常认为硅不是限制性营养物质。硅元素的循环1）生物循环：硅藻的吸收利用硅藻藻体的分解矿化2）无机循环：硅岩石的风化、含硅悬浮物的溶解等淡水：活性硅酸盐含量也类似于有效氮和活性磷酸盐，具有明显的时空分布变化规律。海水：外海活性硅酸盐的含量较低。随着深度的增大而增大，底层海水可高达1000mol/L以上；季节不同其浓度可相差100倍以上。硅元素分布变化规律二、铁天然水中的铁有+2与+3两种价态：Fe2+、Fe3+、Fe(OH)2、Fe(OH)3、FeCO3、FeS及Fe2S3等4Fe