水体富营养化过程20090522

水体富营养化过程与治理云南师范大学旅游与地理科学学院角媛梅授课提纲1水体富营养化的概念与危害2水体富营养化的类型与判断标准3氮、磷对富营养化影响的机理4氮、磷在水体中的转化5富营养水体的治理6滇池污染及其治理1水体富营养化的概念与危害1.1水体富营养化的概念1.2水体富营养化对水体的影响1.3富营养水体中的产毒藻类与毒性湖泊、水库等水域的植物营养成分（氮、磷等）不断补给，过量积聚，使水体营养过剩所引起的水质污染现象称为水体“富营养化”。江湖海洋水华（花）赤潮1.1水体富营养化的概念赤潮藻类为优势物种，并大面积覆盖水体表面感观性状恶化，透明度下降，水质污浊发臭水中溶解氧不足，鱼类及其他生物大量死亡加速水域的消亡过程1.2富营养化引起的水质变化(1)毒性表现肝毒性（可以引起肝癌）神经毒性（麻癖）肾毒性（腹泻）遗传毒性胚胎及发育毒性1.3富营养水体中的产毒藻类与毒性铜绿微囊藻绿色微囊藻鱼腥藻颤藻念珠藻1.3富营养水体中的产毒藻类与毒性(2)主要有毒藻类•富营养化湖泊藻类群落的优势种之一。通常形成囊状不定形群体，群体呈粗筛孔状，由几十个、甚至上千个单体细胞组成。•铜绿微囊藻易大量繁殖形成水华，改变水体生态系统群落结构，藻类死亡时造成水域大面积缺氧，鱼类生长受到影响，水体环境严重恶化。•某些铜绿微囊藻能产生1种微囊藻毒素(肿瘤促进剂)，可诱发急性肝损伤和肝肿瘤MicrocystisaeruginosaKuetz.铜绿微囊藻绿色微囊藻Microcystisviridis(A.Br.)Lemm•绿色微囊藻主要产生三种毒素，在适宜条件下，每毫克干重细胞可产生3-4微克微囊藻毒素，其总毒素含量可达到细胞干重的3‰以上，是毒素含量最高的一种藻类。鱼腥藻鱼腥藻（Anabaena）藻丝单一，或群集成群体；自由漂浮，或粘附基质上。藻丝直走，弯曲，藻丝外面有透明、无色的水样胶鞘。细胞一般为球形或腰鼓形。易形成水华，是水体富营养化的标志。水华鱼腥藻具有毒株，含有鱼腥藻毒A、B、C和D，其中鱼腥藻毒A研究较充分，是一种低分子量的含氮的生物碱，对动物的最低致死剂量为每千克体重250微克。Anabaena藻体是不分枝的丝状体，由单列细胞组成藻丝。丝体上有空去的死细胞作双凹形，有时还有胶化膨大的隔离盘，亦为双凹形，但细胞内有均匀的内含物，二个隔离盘或死细胞之间的这一段叫做藻殖段，生于潮湿处或小型水体中，漂浮或附着Oscillatoria颤藻念珠藻Nostoc念珠藻的藻丝由一列近球形细胞组成，形似一串念珠，藻丝通常有一至几个异形胞，由藻丝组成胶质团块，形状有球状、片状或发状。(3)饮用水中的藻毒素淡水中常见的蓝藻能产生肝毒素和神经毒素，与供水安全相关。蓝藻微囊藻水华80%是产毒素的，大部分肝毒素是微囊藻毒素，已知70多种亚型的微囊藻毒素。神经毒素分布范围较肝毒素小，危害程度也不及微囊藻毒素。1.3富营养水体中的产毒藻类与毒性(4)流行病学资料太湖流域调查表明：饮用受微囊藻毒素污染的水会引起人群肝脏酶学指标的变化，导致肝脏功能损害。对肝癌高发区江苏海门和启东两地发现：饮用受微囊藻毒素污染的河沟水的居民患肝癌相对危险度较饮井水或自来水的居民分别为1.96和2.39。微囊藻毒素是我国南方原发性肝癌高发的三大环境危险因素（微囊藻毒素、肝炎病毒和黄曲霉毒素）之一。1.3富营养水体中的产毒藻类与毒性生物富集作用DDT的生物富集作用水俣病知识回顾2水体富营养化的类型与判断标准2.1水体富营养化的类型2.2水体富营养化的判断标准2.3我国湖泊富营养化的状况2.1水体富营养化的类型按富营养化的原因分为：天然富营养化：是指湖泊营养物质的天然富集，需要千年甚至万年的演化过程人为富营养化：是指由于人为活动产生的工业废水、农业退水、水产养殖废水和生活污水排入水体，使水体中氮、磷等营养物质的负荷量急剧增加而导致水体污染的现象。2.2水体富营养化的判断标准(1)参数项目单位贫营养中营养富营养总磷浓度mg/l0.010.01-0.020.02叶绿素α浓度Ug/l44-1010赛克板透明度m3.72.0-3.72.0溶解氧饱和度%8010-8010按富营养化的水质富营养状态的主要参数和标准分为：富营养中营养贫营养2.2水体富营养化的判断标准(2)贫营养湖泊富营养湖泊1.营养物质贫乏丰富2.浮游藻类稀少较多3.有根植物稀疏茂盛4.湖盆深度较深较浅5.湖底物质砂石、砂砾淤泥沉积物6.水质清澈透亮混浊发暗7.湖水温度较低（冷水）较高（温水）8.特征鱼类鲑鱼等鲤、草、鲢等贫营养和富营养湖泊特征比较富营养与贫营养湖泊中微生物的比较富营养湖泊贫营养湖泊数量品种分布昼夜间的迁移水华现象主要藻类丰富较少主要生长在水体表层有限经常发生蓝藻纲(Cyanophyceae)色球藻科(Chroococcaceae)微囊藻属(Microcystis)铜绿微囊藻(Microcystiserugrinosa)水华微囊藻(Microcystisflosaquae)具缘微囊藻(Microcystismarginata)念珠藻科(Nostocaceae)鱼腥藻属(Anabaena)螺旋鱼腥藻(Anabaenaspiroides)束丝藻属(Aphanizomenon)颤藻科(Oscillatoriaceae)颤藻属(Oscillatoria)等片硅藻科(Deatomaceae)直链藻属(Melosira)脆杆藻属(Fragilaria)冠盘藻属(Stephanodescus)星杆藻属(Astericoolla)稀少很多可生长至深层频繁很少出现绿藻科(Chlorophyceae)角星鼓藻属(Staurastrum)片硅藻科(Diatomaceae)平板藻属(Tabellaria)小环藻属(Cyclotella)金藻科(Chrysophyceae)锥囊藻属(Dinobryon)2.3我国湖泊的富营养化状况滇池在80年代初期还处于三类水体，90年代后期全湖范围已急剧恶化到劣五类水体，陷入重富营养状态。70年代后期80年代后期90年代后期富营养27％富营养61％富营养85％中营养69％中营养35％中营养15％贫营养4％贫营养4％贫营养0％4050607080901991年1992年1993年1994年1995年1996年1997年1998年1999年2000年巢湖滇池太湖营养状态指数1991-2000年“三湖”营养状态指数年际变化比较中度富营养状态：60轻度富营养状态：50重度富营养状态：70“三湖”湖体水质均为劣Ⅴ类。主要污染指标为总氮、总磷。太湖、巢湖处于轻度富营养状态，滇池处于重度富营养状态。“三湖”水质变化趋势50556065707580851998年1999年2000年2001年2002年太湖巢湖滇池营养状态指数重度富营养化中度富营养化2002年：3氮、磷对富营养化影响的机理3.1水体富营养化污染过程3.2水体富营养化水华暴发机理3.3藻类的“经验分子式”与利贝格最小值定律3.1水体富营养化污染过程P、N元素含量过多藻类大量繁殖，水体变浑浊呈黄、绿色藻类死亡，（需氧微生物繁殖）溶解氧急剧降低鱼类等水生生物死亡，厌氧微生物繁殖水变黑发臭。湖泊生态系统中初级生产力在营养盐增加时的相互关系沉水植物浮游植物挺水植物底栖固着藻类相对初级生产力增加营养营养盐限制光限制3.2湖泊富营养化水华暴发机理长江中下游湖泊富营养化过程中沉水植被演替模式滇池原生沉水植物海菜花Otteliaacuminata.沉水植物.喜光，耐阴。要求水体清澈见底,抗污能力差。金鱼藻Ceratophyllumdemersum.沉水植物，无根，密集成簇，漂浮于水面下，对藻类有抑制作用。正反馈（左）和负反馈（右）狼↑狼↓兔↓兔↑植物↓植物↑狼饿死狼吃饱吃了较多兔子吃了较少兔子兔吃饱兔饿死吃了较少的草吃了大量的草污染↑↑鱼死亡↑污染↑鱼死亡↑↑↑鱼死亡↑↑污染↑↑↑最适范围亚适范围亚适范围不适范围不适范围不能生存因子梯度渐增生命活动或数量生物对环境因子的耐受曲线Shelford耐受性定律3.3藻类的“经验分子式”与利贝格最小值定律在适宜光照、温度、PH和充分营养物质的前提下，藻类进行光和作用并合成自身的原生质的基本反应式为：106CO2+16NO3-+HPO42-+122H2O+18H++能量+微量元素→C106H263O110N16P1+138O2藻类的“经验分子式”3.3藻类的“经验分子式”与利贝格最小值定律利贝格最小值定律：植物生长取决于外界提供给它的所需养料中数量最小的一种。调查结果显示：80％的富营养化是受磷元素的制约，大约10％的富营养化与氮元素有关，余下的10％与其它因素有关。Liebig最小值原理•植物生长需要基本元素•只要基本元素足够，植物生长是自动的•影响植物发展的是某一短缺元素•增加这个短缺元素能引发植物的生长，缺少它即使再多增加其它元素也无效•短缺元素永远在变化之中•几克短缺元素的增加，其功效比增加几吨的肥料都大4氮、磷在水体中的转化4.1含氮化合物在水体中的转化4.2含磷化合物在水体中的转化(1)氮的生物地化循环4.1含氮化合物在水体中的转化4.1含氮化合物在水体中的转化大气N2生物体有机氮NH4+NO3-NO2-NON2ONH2OHNH4+②硝化作用③硝酸盐同化作用⑤铵盐同化作用①生物固氮⑥异化性硝酸盐还原作用⑦反硝化作用⑧亚硝酸氨化作用②硝化作用④氨化作用(2)氮循环中的四种基本生物化学过程(3)水体中的含氮化合物有机氮无机氮来源：农业废弃物和城市生活污水组成：蛋白质、氨基酸和尿素农业退水和工业排水；有机氮经微生物分解而来组成：氨氮和硝态氮来源：4.1含氮化合物在水体中的转化(4)水体中有机氮的转化过程•氨化作用•硝化作用•反硝化作用•同化作用4.1含氮化合物在水体中的转化氨化作用（有机氨转化为氨氮）水体中各种蛋白质化合物在好气性和嫌气性条件下，由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨和氨化合物，氨溶水成为NH4+，为植物利用有机氮(NH2-)氨(NH3)铵离子(NH4+)氨化作用蛋白质的氨化作用蛋白质蛋白酶水解肽肽酶水解氨基酸降解NH3氧化脱氨基作用水解脱氨基作用还原脱氨基作用尿素的氨化CO(NH2)2+2H2O(NH4)2CO3尿酶2NH3+CO2+H2O尿素细菌：1、球菌：尿素生孢八叠球菌2、芽孢杆菌：巴斯德尿素芽孢杆菌硝化作用（氨氮转化为硝酸盐）氨氮在水中不稳定，除被生物吸收同化外，其余在溶解氧充足条件下，被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，供植物吸收利用亚硝化作用硝化作用硝化细菌和硝化作用的过程NH4+NO2-NO3-硝酸细菌亚硝酸细菌影响硝化作用的环境因素(1)pH值：适宜微碱性(2)温度：4-40℃，最适：25-35℃(3)通气：需氧(4)湿度：过量影响通气，不足引起细胞缺水。反硝化作用(硝酸盐氮转化为气态氮)反硝化细菌将亚硝酸盐转变成氮气，回到大气库中，使水体失氮异养脱氮细菌的反硝化作用自养脱氮细菌的反硝化作用反硝化作用的过程HNO3N2O或N2NH3合成性硝酸还原作用硝酸盐的异化还原作用（脱氮）反硝化作用微生物大多数：异养兼厌气性极少数：化能自养型（脱氮硫杆菌）环境对反硝化作用的影响①②pH③有机质与NO-3含量同化作用藻类对水中几种无机氮都能利用，在光合过程以及随后的同化过程中，逐步形成各种含氮有机物。(1)磷的生物地化循环4.2含磷化合物在水体中的转化(2)磷的循环过程岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被植物吸收进入植物体内沿食物链传递，并以粪便、残体或直接以枯枝落叶、秸秆归还土壤含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环动植物遗体在陆地表面的磷矿化磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋4.2含磷化合物在水体中的转化生物有机磷不溶性磷酸