天然水体中的生物营养元素2012

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1、5-1 营养盐与藻类的关系 5-2 天然水体中的氮 5-3 天然水体中的磷 5-4 天然水中的硅和微量营养元素,第五章 天然水体中的生物营养元素,养殖水环境化学,5-1 营养盐与藻类的关系,5.1.1 必需元素与非必需元素 5.1.2 藻类对营养盐的吸收,5.1.1 必需元素和非必需元素 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。 1、概念 必需元素：某种元素被证明至少是某种生物所必需的，且直接参与生物 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。 常量必需元素：需要量大的必需元素 如N、P、K、Ca、Mg、S、C、H、O 微量必需元

2、素：需要量很少的必需元素 如Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、Cl等,微量元素的缺乏（a)与过量(b)对生物的影响,2、环境中必需元素和非必需元素的含量（浓度）与生物生长的关系,养殖水体的植物： 淡水水体：浮游植物、大型的水生维管束植物 海洋：浮游植物、大型海藻、海洋维管束植物 浅水区：大型维管束植物和大型海藻 深水域：浮游植物 水生植物初级生产者，水质调节者，产品,养殖水体的植物,5.1.2 藻类对营养盐的吸收,藻类对营养盐的吸收速率与水中营养盐的浓度关系符合一般的酶促反应动力学方程米氏方程,式中：V为酶促反应速度，即底物消失速度或产物生成速度 S为限制性底物的浓度 Vmax为最大反应速度，

3、即S足够大时的饱和速度 Km为米氏常数（半饱和常数）：若S=Km时，V=1/2Vmax,大约有20种元素是浮游植物必需元素，其中11种在浮游植物中大量存在，是大量元素，如C、H、O、N、P、S、K、Mg、Ca、Na和Cl。Si对于硅藻也是大量元素，因为其细胞壁有大量的Si元素。 浮游植物细胞还需要8种微量元素，如Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、V和Co 。 浮游植物群落的生产力通常会受到一种或两种相对可利用量最短缺的元素的制约，这一种或两种元素被称为限制性元素。 限制性营养元素：氮、磷、铁,营养元素限制浮游植物生长的原因： 营养元素有效形态的实际浓度S太低 水体内营养元素的总储量或补给量不足

4、 各种营养元素有效形态浓度比例不适合浮游植物生理需要 迁移扩散速率太低以致S0不足,一般认为，为了得到藻类的正常繁殖速率，水体的限制性营养元素浓度S应维持在3Km(此时吸收速率V=0.75Vmax)以上。若S不足时，浮游植物的生长、繁殖将直接受到限制。,细基江蓠繁枝变型 孔石莼 Nutrition Vmax Ks a r2 Vmax Ks a r2,Control NH4+ 39.61.50 5.450.58 7.27 0.93 37.21.45 5.280.49 7.05 0.91 NO3- 30.51.09 4.270.39 6.98 0.89 51.61.53 6.800.61 7.59

5、 0.92 PO43- 1.560.06 1.030.03 1.51 0.90 1.380.04 0.930.02 1.48 0.88 Fe-limitation NH4+ 36.11.03* 5.240.44 6.89 0.90 34.51.04* 5.020.42 6.87 0.94 NO3- 10.20.45* 2.930.12 3.48 0.87 18.80.51* 3.650.22 5.15 0.95 PO43- 1.430.04 0.990.02 1.44 0.93 1.290.02 0.900.02 1.43 0.90,*P0.05, *P0.01,铁限制与非限制条件下N、P的吸

6、收动力学参数,5-2 天然水体中的氮,5.2.1天然水中氮元素的存在形态 5.2.2 天然水中氮的来源与转化 5.2.3 天然水中的无机氮与水产养殖的关系 5.2.4 天然水中无机氮的分布变化,5.2.1 天然水中氮元素的存在形态 溶解游离态氮气 无机氮化合物 铵（氨）态氮(TNH4-N) 硝酸态氮(NO3-N) 亚硝酸态氮(NO2-N) 有机氮化物 尿素、氨基酸、蛋白质、腐殖酸等,天然水的铵（氨）态氮是指在水中以NH3和NH4+形态存在的 氮的含量之和。 NH4+H2O NH3+H3O+ 铵离子（离子氨）或离子氨态氮：NH4+-N 非 离 子 氨或 非离子氨态氮： NH3-N或UIA NH4

7、+基本没有毒，NH3的毒性很大。,1、铵（氨）态氮（TNH4-N),在海水水质标准（GB3097-1997）和渔业水质标准(GB11607-89)中都规定非离子氨含量不得超过0.020mg/L。,2、NH3-N的计算方法,pKa,t= pKa,25 +0.0324（25-t）,Ka为NH4+的 表观平衡常数,活度系数,25在不同离子强度下海水及淡水中的pKa,离子强度=0.0193S,不同氯度时的H+,p31,淡水和海水中的UIA（%） （25101325Pa）,已知某天然淡水T=15, pH=7.80,总氨（铵）氮为1.50mol/L，求水体中的UIA含量。 解：,例题,pKa,15= pK

8、a,25 +0.0324（25-t） =9.25 +0.0324（25-15） =9.574 查表rH+=1.0（查表） UIA=0.016551.50=0.025（mol/L）,作 业,已知某海水温度为27，S=25, pH=8.30, 总铵（氨）氮为0.8mol/L，求水体中的UIA含量。,5.2.2 天然水中氮的来源和转化,一、天然水中氮的来源 1、大气降水下落过程中从大气中的淋溶 2、地下径流从岩石土壤中的溶解 3、水体中水生生物的代谢 4、水体中生物的固氮作用 5、工农业生产活动和生活污水的排放,二、天然水中氮的转化,固氮作用 氨化作用 同化作用 硝化作用 反硝化作用 （脱氮作用）,

9、1、固氮作用 天然水和沉积物中的一些藻类（蓝、绿藻）及细菌，它们具有特殊的酶系统，能把一般生物不能利用的单质N2，转变为生物能够利用的化合物形式，这一过程称为固氮作用。,（1）水体中存在的固氮菌 湖泊巴氏固氮梭菌 海洋束毛藻、项圈藻属、念珠蓝藻属等 (2) 影响固氮作用的因素 水中微量或大量元素的含量（Fe、Mg、Mo，B、Ca、Co ）,(3)固氮作用对水体氮来源的贡献 对于水产养殖水体，施肥、投饵及养殖生物的代谢是水中氮的主要来源。 罗非鱼养殖池塘固氮作用输入的氮占总输入氮的11%左右（Marco等，1994） 在加勒比海，浮游植物生产所需的氮量有20%可通过颤藻（Oscillatoria

10、）的固氮作用来提供（沈国英等，2002） 通常水中藻类及细菌固氮速率为15mg(N)m-2d-1,2、氨化作用 含氮有机物在微生物作用下分解释放氨态氮的过程 含氮有机物 NH4+ +CO2+SO42-+H2O 含氮有机物 NH4+CO2+胺类、有机酸类,氨化作用速率受pH值影响，以中性、弱碱性环境效率较高 氨化作用是重要的有效氮源之一,不同鲤鱼放养密度对沉积物-水界面氨化速率的影响,3、同化作用 水生植物通过吸收利用天然水中的NH4+、NO2-、NO3-等合成自身的物质，这一过程称为同化作用。,天然水中的NH4+、 NO3- 、NO2-无机氮化合物是藻类能直 接吸收利用的氮的形态，其中NH4+

11、-N、NO3-N来源广，含 量较高，是水生植物氮营养元素的主要形态，又称为有效氮; 许多天然水体的调查结果表明：有效氮浓度经常保持在 20mol/L以上是必要的。但为了防止富营养化，有效氮浓度 以不超过20mol/L为宜。,酶促反应速度与浓度的关系,某些硅藻对NH4+吸收速率与浓度的关系,细基江蓠繁枝变型在不同时间间隔内的NH4+吸收,细基江蓠繁枝变型在不同时间间隔内的NH4+吸收,某些硅藻对NH4+吸收速率与浓度的关系,4、硝化作用 在通气良好的天然水中，经硝化细菌的作用，氨可进一步被氧化为NO3-，这一过程称为硝化作用。,2NH4+3O24H+2NO2-+2H2O+能量 （亚硝化单胞菌属

12、） 2NO2-+O22NO3-+能量 （硝化杆菌属 ）,影响硝化作用的因素： 溶解氧 当溶解氧大约在56mg/L以下时，硝化速度随溶解氧 含量的升高而增大。,pH 硝化作用的适宜pH范围为弱碱性，其中以pH=8.4最好； pH7.88.9范围内，硝化速度可以保持最大速度的90%； pH9.5以上时硝化细菌受到抑制； pH6.0以下时亚硝化细菌被抑制，硝化速度急剧下降。 温度 在530范围内，温度升高，硝化作用加快； 低于5或高于40时，硝化作用受到抑制。,不同鲤鱼放养密度对沉积物-水界面硝化速率的影响,4、反硝化作用（脱氮作用） 在微生物的作用下，硝酸盐或亚硝酸盐被还原为一氧化二氮（N2O）或

13、氮气（N2）的过程。,在水中，脱氮菌约占细菌总数的5%左右； 在土壤中，脱氮菌约占细菌总数多时可达30%左右； 脱氮菌绝大部分都是条件性厌氧细菌。,影响脱氮作用的因素 pH pH以78为最适范围， pH5时，脱氮作用停止 NO3-、NO2-含量 随着NO3-、NO2-含量的增大，脱氮反应速率增高 （在一定的浓度范围内） 溶解氧 溶解氧含量低于0.150.5mg/L，脱氮作用才顺利进行 与作为电子接受体的基质（如溶解有机物等）含量有关,不同鲤鱼放养密度对沉积物-水界面的反硝化速率影响,三、天然水体中无机态氮与养殖生产的关系,双重作用： 一方面， 水体中的NH4+、NO3-是藻类能直接吸收利用的氮

14、的形态，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。 另一方面，当水体中无机态氮含量过高时，易导致水体富营养化，对养殖生物产生有害的影响。,1、水体富营养化的氮来源 工农业生产活动和生活污水的排放 我国滇池、东湖等城郊湖泊，由于受生活污水的影响，氨氮含量高达0.09-2.8mg/L。刘建康（2000）,武汉东湖,蓝藻水华,湖滇,赤潮,绿潮,养殖业本身常常由于养殖或培育的生物密度过大，导致NH4+(NH3)的积累 养殖生物排泄的可溶性无机氮以NH4+为主 虹鳟排泄TNH4-N的速率为17mgh-1kg-1(体重) 海湾扇贝（软体湿重为5克左右）在水温2

15、0时排泄 TNH4-N 的速率为 6.26mgh-1kg-1(体重) 中国明对虾在25下排泄TNH4-N的速率为23.84mgh-1kg-1(体重),在养殖生产中，施肥、投饵和养殖密度过大 易导致水体的富营养化。,养殖水体中死亡或者衰老的藻类细胞的自溶 养殖水体中细菌的活动使原来以颗粒状结合着的大部分有机氮以NH4+的形态释放到水中,2、毒性 NH3 鱼类的NH3急性中毒浓度为0.0834.6mg/L 鲑科鱼类为0.083-1.09mg/L 非鲤科鱼类为0.144.6mg/L 鲤鱼约为1.5mg/L 汪心源等（1983）的实验表明，对虾育苗的NH3-N容 许上限为0.023mg/L。 陈炜等(1997)研究了NH4+-N和NH3-N对海蜇螅状幼体和 碟状幼体的毒性，对于螅状幼体，NH3-N的毒性大约是 NH4+-N的90-110倍，对于碟状幼体，这一毒性倍数约为 117-220。,NO2-N NO2- 在浓度较低时，会造成养殖动物抵抗力下降，易患各种疾病，被视为鱼类的致病根源（柯清水，1998） NO2-的长期作用则表