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1、第二章 水环境的物质循环生态系统中最重要的过程是能量流动和物质循环 全球光合作用总量5.41015 mol C/年 植物呼吸消耗1/6的光合能量，其他供应异养生物 99.95被呼吸作用氧化，0.05%入沉积物中进入地 质过程生物圈（biosphere）：地球上出现生命并受到生命活动影响的地区。是地表有机体包括微生物 及其自下而上环境的总称。包括：海平面以上约10000米至海平面以下11000米处 - 大气圈的底 部、水圈大部、岩石圈表面。生物体基本元素生物体主要元素 97%生物体大量元素 大于 万分之一有机物的分解过程：主要由微生物完成水解：有机物在水解酶的参与下与水分子起作用分解成简单的化合
2、物。 - 体外+体内（微生物）。 生物氧化反应： 【酶】包括脱氢作用（羟基氧化为酮基或单健脱氢成为双 健）与脱羧作用（长链脂肪酸经氧化产生CO2)碳水化合物 脂肪 蛋白质1.细胞外水解有 机 酸 、 氨 基 酸 等CO2 H2O NO3 SO4有机酸 醇 CO2 NH3 H2S2. 细胞内 水解、氧化CH4 H2O甲烷发酵有氧条件氧化三羧循环 硝化 硫化厌氧发酵蛋白分解导 致pH上升有机酸 NH3 H2S第一节 碳循环构成有机物质的最基本元素，占生命体的40-50% 碳代谢是生物的能量来源。生命活动需要不断自环 境中获得碳源的补充，又要经过各种代谢途径将碳 复归于自然水域有机质的来源： 内生：
3、大型植物浮游植物 外来：来自集水区【植物生产，动物，微生物，有 机物】一、水环境有机物质的种类和数量1.可溶态有机物： 分解过程中产生的不稳定的可被微生物分解的中间产物： 糖类，脂类，含氮化合物等 不易进一步分解的有机物：木质素，腐植酸等 人为污染物：洗涤剂，农药，染料等 2. 悬浮态有机物 浮游生物 生物残骸 部分分解的有机碎屑 人类活动排放的废物腐植质 - 由死亡生物物质，经微生物降解产生，难 以进一步降解。包括三个主要部分：腐植酸（ Humic acid，HA），富里酸（fulvic acid, FA）和 胡敏素（humin, HM）3.沉积物中的有机质 生命活体 易分解有机物 难分解有
4、机物天然水体有机碳数量组成特点： 天然有机碳几乎都以溶解态存在：DOC/POC=6:110:1 POC中,有生命物质只占很小的一部分 DOC大部分不易分解 深水湖泊上层水有机碳所占比例小(10%)，但循环快二、水环境有机碳形成、变化与破坏1.有机物的形成与补充 光合作用 6CO26H2O C6H12O66O2单糖脱水生成淀粉、纤维素等 nC6H12O6 (C6H10O5)n+nH2O植物代谢要分解一定的有机质，消耗O2，释放能量， 放出CO2 (植物呼吸消耗约1/6的光合能量)2.水环境有机物质的破坏与分解过程（1) 死亡浮游生物的分解 浮游生物死亡，下沉到水底前即开始分解，首先 死亡细胞自身
5、分解，释放出易同化物质【蛋白质 、脂肪、糖类、氨基酸、核酸等】。这些物质可 很快被微生物、原生动物等利用。不溶残余物（如细胞壁-由藻酸、纤维素等组成 ）到达水底、形成沉积物后继续被微生物分解（2) 水生植物的分解大型植物死亡后，水溶性物质分解快;腐殖质分解慢，易积 累到沉积物中 湖泊大型植物在秋季大量死亡（草型湖泊明显），海洋大 型藻类夏季大量死亡。（3) 沉积物中有机物质的分解 有机物在沉积物中的循环主要是厌氧分解，产生 CH4和CO2 无脊椎动物在底部的摄食也起重要作用 木质素和腐植酸在厌氧条件下也难被微生物分解三、湖泊碳循环途径1.湖水生物群落的代谢 植物光合作用：利用CO2，放出O2，
6、 储存能量 动物代谢：耗O2 ，放出CO2 ，利用 能量 -不易分解的部分由微生物分解或沉 到水底 2. 表层和底层的物质交换 底部有机质由微生物分解、矿化成营养盐 ，经热运动或风力作用进入表层 3. 湖水沉积物界面的物质交换 厌氧分解，释放到上覆水中 厌氧条件下氧化膜可能打破，分解 物释放加快 4. 湖底沉积物中的物质交换 沉积物中的有机质一部分被底栖动 物摄食（排泄部分再入沉积物） 另一部分被永久留在底质中，参与 地质化学过程 5. 水-气界面的气体交换 6. 沉降、径流等过程的碳输入与输出第二节 氮循环生物圈中惰性N2转化为氮化物的途径:生物固氮 火山喷发 大气放电 光化学反应 人工合成
7、（氨）一、湖泊中氮的种类与来源N2; NH3; NH4+； NO2-; NO3-; 有机氮化物1. 水体氮的输入途径： 径流；降水；固氮（蓝藻细菌）。 重污染水域污水输入是重要来源2. 水体氮的输出途径： 径流；挥发（扩散）；脱氮作用；沉积 生产力高的水体，生物脱氮作用高于固氮作用二、湖水中的氨氨是细菌等分解有机物的主要产物，水生动物的主要排泄物 氨的不同状态在水中存在动态平衡NH4+OH-NH4OH NH3H2O pH上升，有毒态NH3升高氨的同化： 植物（浮游）可吸收NH3; NO2-; NO3-，合成氨基酸 植物利用硝态氮时，首先要将其转化为铵态氮 氨的分布与变动： 表层少，底层多光合作
8、用，硝化作用，分解作用 夏季（表层）少，冬季多生物作用 底层缺氧时，沉积物表面的氧化薄层消失，降低了沉积物的吸 附力，沉积物释放的氨增多。三、湖水中的NO2-和NO3-1.硝化与硝酸盐的还原 硝化： NH4+ OH- 1/2O2 =H+ NO2- 2H2O NO2- 1/2O2 = NO3-表层气泡的光化学反应；细菌的作用还原：细菌的脱氮（厌氧条件）C6H12O6 12 NO3- = NO2- 6CO2 6H2O+能 C6H12O6 8 NO2- = N2 2CO2 4CO32- 6H2O +能 2.水体亚硝酸盐的变化 曝气充分的水体中， NO3- 与 NO2-达到平衡时， NO2-浓度极低
9、表层水含量低，底质或上覆水较高，理论最大值位于硝酸盐 丰富的好氧区与氨丰富的厌氧区之间 亚硝酸盐含量随氨的增加而增加【 NO3-还原成NO2-困难】 氨的氧化（硝化）在冬季较快；硝酸盐的还原（反硝化）夏 季较快3. 硝酸盐的变化 表层、底层少，中层多【表层吸收，底层还原】 冬-春季多，夏季少【夏季藻类大量出现】四、水体中氮的存在形态淡水中总氮50%以上为溶解态有机氮（DON） DON 50%以上为以胺氮化合物存在【多肽，复杂氮化合物 】 DON：PON5:110:1五、湖泊氮的循环1大气溶解N2NO3-植物动物NO2-NH4+生物固氮及化学过程沉 积 物摄食排泄同化反硝化 硝化脱氨分解脱氮第三
10、节 磷循环磷是生物体的主要元素之一，在生物代谢中 起重要作用 P在淡水生态系统中尤为重要，是淡水湖泊 普遍的第一限制元素（海水中N限制较为常 见）一、水体中磷的存在形态无机磷：正磷酸盐（PO43-, HPO42-, H2PO4-），焦磷酸盐（ P2O74-），三聚磷酸盐（P3O105-）（生物体内）， 有机磷：磷酸葡萄糖；肌醇；磷脂；磷酰胺；有机缩合磷酸 ；有机磷农药可溶性磷 颗粒磷总磷：样品消解氧化后（有机磷转化为无机磷）测定的磷量 无机磷：样品不经氧化测得 有机磷：总磷与无机磷的差值 有效磷：速效磷，可被植物吸收的磷组分，包括全部水溶性 磷、部分吸附态磷及有机态磷等。 正磷酸盐是唯一可被直
11、接利用的形式二、磷的动态湖泊水中大部分磷都结合在有机酸盐和生物体内，或吸附在 有机胶体上 淡水总磷的变化范围很大：贫5-10 g/L; 富100 g/L; 多数 10-50 g/L。与污染状况密切相关季节：冬季高；夏季低 垂直：表层少；底层多生产力高的湖泊底层缺氧，氧化薄层消失，磷酸盐释放，浓度 高三、湖泊中的磷循环主要过程： 地表径流将磷特别是腐烂植物带入湖中 植物释放可溶有机磷，在磷酸酶作用下可转化为磷酸根 浮游生物和悬浮物下沉过程中分解、释放磷 岸边植物和水中（浮游）植物从水中吸收磷 浮游生物和其他含磷悬浮物下沉到湖底-沉积磷 沉积物在还原条件下释放磷到上覆水 磷酸根与Fe、Mg、Al等金属离子结合为难溶化合物，沉积 到底质中湖水中磷的周转很快（以分钟计），因此可测量很低湖泊磷的循环湖 水水生高等植物细菌溶解态有机磷难溶磷酸盐溶解正磷酸盐浮游植物细菌、底栖动物 有机磷 磷酸铝 磷酸铁 磷酸钙浮游动物无机聚合磷酸盐沉 积 物径流输入 湖泊的磷以沉积作用为主 可溶磷在沉积物水界面的分子扩散随氧的增加而降低 （Fe2+被氧化成Fe3+，形成磷酸铁沉淀）悬浮颗粒还原条件
