山口湖沉积物中溶解性有机氮的分布特征

华　飞，赵广超，张靖天，昝逢宇，贾其娜，霍守亮*.安徽师范大学环境科学与工程学院，安徽芜湖4000 .中国环境科学研究院，北京000

山口湖沉积物中溶解性有机氮的分布特征

华飞1，赵广超1，张靖天2，昝逢宇1，贾其娜1，霍守亮2*
1.安徽师范大学环境科学与工程学院，安徽芜湖241000 2.中国环境科学研究院，北京100012

以东北典型山地湖泊山口湖为研究对象，研究了沉积物中溶解性有机氮（DON）和氨基酸的浓度及分布特征。结果表明，山口湖沉积物DON浓度为124.41～560.17 mg/kg，平均值为304.78 mg/kg，占沉积物溶解性总氮（TDN）的45.25%，占沉积物总氮（TN）的5.27%；氨基酸浓度为9.21～18.53 mg/kg，平均值为12.19 mg/kg，占DON、TDN、TN的比例分别为4.35%、1.91%和0.22%。沉积物DON分子量分级结果表明，DON和SUV254分子量分布主要是小分子量（＜1 ku）为主；而大分子量（＞30 ku）的DOC占主要部分。下游2号采样点沉积物在分子量＜1 ku时DOC/DON处于中等水平，这部分有机质既有内源释放也有外源输入，而分子量＞30 ku的DOC/DON较高，说明这部分有机质主要来自外源；上游8号、13号采样点，分子量＜1 ku和＞30 ku的DOC/DON很小，说明其有机质主要来自内源。

沉积物；溶解性有机氮；分布；分子量分级

华飞，赵广超，张靖天，等.山口湖沉积物中溶解性有机氮的分布特征［J］.环境工程技术学报，2015，5（2）：129-135.

HUA F，ZHAO G C，ZHANG J T，et al.A study on distribution characteristics of dissolved organic nitrogen（DON）in the sediments of Lake Shankou［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（2）：129-135.

溶解性有机氮（dissolved organic nitrogen，DON）是湖泊生态系统的重要组成部分，在湖泊环境中扮演着十分重要的角色。在湖泊沉积物中，DON是有机氮中最活跃的组成部分，主要由烃类、脂肪酸、糖类、氨基酸、酚酮类化合物以及小分子酸类组成［1-3］。DON能在沉积物和间隙水中广泛迁移，并被细菌、藻类等微生物所利用，对于沉积物中氮的固持、淋溶、矿化以及植物吸收等过程起着重要的作用［4］。目前对于DON的研究主要集中在土壤和湖泊水体中。据报道，土壤中95%以上的氮素是以有机氮形式存在。DON是土壤有机氮中最活跃的组分［4］，能反映土壤有机氮矿化的难易程度，可作为反映土壤氮素矿化能力的一个重要指标［5-6］。土壤中的DON具有较强的移动性，易被雨水淋失进入湖泊，促进藻类生长甚至对湖泊富养化产生影响［7-8］。DON是多数天然水体中溶解态氮的主要组成部分，在湖泊和海洋等水体中，DON占TDN的比例达到了60%～90%［9］，在表层海水中，DON约占TDN的83%，而近海DON仅占TDN的18%［10］。在湖泊水体中，DON占TDN的5%～65%［10］。沉积物释放是湖泊水体DON的重要来源［11］，约12%～72%的DON可以被生物所利用［12-14］，尤其是一些蛋白质类和可溶性微粒。近年来，超滤技术的应用使得对于湖泊DON分子量分布研究受到关注，该技术能够将不同分子量范围的有机氮分离出来，同时结合三维荧光光谱［15］、FTICR-MS［16］等手段，对有机氮的来源和特性进行定性和定量的分析。研究表明［15］，美国埃弗格雷斯港农田灌溉水中有机氮分子量分布以＜1 ku和＞10 ku为主，占80%以上。对DON分子量分级的研究发现，黄浦江原水DON以小分子量（＜1 ku）为主［17］；北京奥林匹克森林公园景观水体中DON也是以小分子量占主体部分［18］。

对于DON分子量分级研究目前只出现在水体中，沉积物中少见报道。沉积物中DON成分复杂，既包括一些低分子量的尿素、氨基酸等蛋白质态氮，也包括富里酸、腐殖酸等高分子难降解的物质［9］。对沉积物中DON进行分子量分级能够更好地确定其来源和成分构成。笔者选取东北山地湖区山口湖为研究对象，探讨了山口湖沉积物DON浓度及其分布特征，并着重研究了DON、DOC和SUV254等有机质分子量分布特征，以期为了解沉积物中DON的循环转化提供有效依据。

1　材料与方法

1.1样品采集和预处理

山口湖位于黑龙江省五大连池市境内（126°50＇46.86″E～126°50＇48.34″E，48°31＇40.75″N～48°31＇15.30″N）。水域面积84 km2，平均水深达15 m左右，最深处达40 m。湖区周边森林相对密集，低山、丘陵及开阔U型河谷内沼泽和湿地发达。其主要由南北河、土鲁木河、长水河3条支流汇集而成，3条河自东向西流经山口湖，在坝口拦截后汇入讷谟尔河。2013年10月在山口湖选取了14个点采集表层沉积物，采样点分布如图1所示。

图1　山口湖采样点分布Fig.1Sampling sites in Lake Shankou

采用彼得森采泥器采集表层沉积物样品，装入自封袋于保温箱中低温密闭保存，带回实验室后冷冻保存，将冻实的表层沉积物样品放在FD-1C-50型真空冷冻干燥机中冷冻干燥72 h，研磨过100目筛，待测。

1.2DON提取

用1 mol/L KCl溶液提取沉积物中的DON，即称量一定量的沉积物样品置于离心管中，按V（水）∶m（沉积物）为10∶1的比例加入1 mol/L的KCl溶液［19］，置于恒温摇床中，在25℃、200 r/ min下振荡1 h后，于4 000 r/min下离心20 min，上清液过0.45 μm混合纤维滤膜，滤液装入聚乙烯瓶中，4℃下保存待用。

1.3超滤膜预处理方法

所用超滤膜为美国Millipore公司生产的YM系列超滤膜，材质为再生纤维素。过滤样品前先对超滤膜进行预处理。具体方法：将膜片放入50 mg/LNaCl溶液中浸泡30 min，以去除紫外干扰；将光滑的一面朝下，放入盛有Mill-Q水的烧杯中，清洗膜片至少1 h，换3次水；清洗后，将膜片装入超滤杯中，光滑面朝着溶液，在压力为0.38 MPa下滤过Mill-Q水至少5 min。超滤膜的再生利用时，需在0.1 mol/L NaOH和100 mg/L NaClO溶液中浸泡30 min。超滤膜储存时，需浸泡在10%的乙醇溶液中。

1.4DON分子量分级

所用装置为美国Millipore公司生产的Amicon 8050型超滤杯，有效容积为50 mL，有效膜面积为13.4 cm2，内装磁力搅拌装置，用以减少过滤过程中浓差极化产生的影响。超滤杯一端连接高纯氮气加压，最大承受压力为0.52 MPa。将提取的沉积物DON样品直接加入超滤杯中，分别经5种不同孔径（1，3，5，10和30 ku）超滤膜在0.1～0.35 MPa下加压过滤，可得6个不同分子量的提取液：＜1、1～3、3～5、5～10、10～30、＞30 ku。分别测定保留液和渗透液中的DOC、UV254、氨基酸及DON浓度。水样采用并联过滤，即提取250 mL沉积物DON，均分为5份，每份50 mL，分别过5种不同孔径的超滤膜，各保留5 mL。不同分子量的DON、DOC、氨基酸浓度和UV254所占比例（P）采用下式计算［19］：式中：C原为分级前样品的测定参数；C1，R为经1 ku分子量分级后保留液（R）中测定的参数；C3，R为经3 ku分子量分级后R中测定的参数；C5，R为经5 ku分子量分级后R中测定的参数；C10，R为经10 ku分子量分级后R中测定的参数；C30，R为经30 ku分子量分级后R中测定的参数。

SUV254的计算公式：

SUV254=UV254×100/DOC

1.5指标测定

DON浓度采用差减法获得，即用水样中溶解性总氮（total dissolved nitrogen，TDN）浓度减去氨氮H4+-N）和硝氮）浓度。亚硝氮浓度低于检测限，忽略不计。TDN浓度采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法

2　结果与讨论

2.1山口湖沉积物总体DON和氨基酸分布

2.1.1山口湖沉积物DON浓度及分布特征

山口湖14个采样点沉积物中的DON浓度及其在TDN、TN中的比例如图2所示。由图2可见，DON浓度分布相对均匀，为124.41～560.17 mg/kg，平均值为304.78 mg/kg。DON占TDN的23.62%～67.47%，平均值为45.25%；占TN的3.20%～7.75%，平均值为5.27%。说明DON在TDN中所占比例较高，而在TN中所占比例较低。林素梅等［20］对于鄱阳湖、洞庭湖等湖泊沉积物DON研究发现，DON浓度平均值为134.45 mg/kg，占TDN的51.86%，占TN的7.14%。通过对比发现，山口湖沉积物DON浓度明显高于鄱阳湖、洞庭湖等湖泊，但DON在TN和TDN中所占比例略低于鄱阳湖和洞庭湖等湖泊。

图2　山口湖沉积物中的DON浓度及其在TDN、TN中的比例Fig.2Contents of DON and its ratio to TDN，TN in the Lake Shankou sediments

3号～5号采样点分布在长水河湖叉，8号、9号采样点分布在土鲁木河湖叉，11号～14号采样点分布在南北河湖叉。由图2可见，长水河湖叉沉积物DON浓度为287.58～353.75 mg/kg，平均值为312.29 mg/kg；南北河湖叉沉积物DON浓度为124.41～292.32 mg/kg，平均值为229.62 mg/kg；土鲁木河湖叉沉积物DON浓度为199.26～217.28 mg/kg，平均值为208.27 mg/kg。长水河湖叉和南北河湖叉沉积物DON浓度不相上下，都高于土鲁木河。长水河湖叉的污染源主要来自长水河农场的生活污水和周边农田的面源径流，特别是在夏季用水高峰期和农业耕作期间，大量生活污水未经处理直接排入湖叉，频繁降雨导致顺坡耕作的农田中大量化肥、农药等流入湖叉，污染物排放浓度高，污染较重，沉积物DON浓度较高。南北河湖叉北岸以森林为主，南岸有15 km长的农田，污染物排放浓度相对长水河较低，但南北河流程长达180 km，年均径流量达14 m3/s，入湖污染物总量较大，污染物沉积量较大，因而沉积物DON浓度相对较高。土鲁木河湖叉流域遍布森林，几乎没有农田，污染物主要来自枯枝、落叶的腐烂、沉积及入湖河流夹带的污染物，因而沉积物中DON浓度较低。污染物的来源不同，DON/TDN也不同，生活污水中氮污染物主要为氨氮，农田径流排放的氮污染物以尿素和氨氮为主，而森林径流排放的氮污染物主要为枯枝、落叶分解后产生的有机氮化合物。因而，土鲁木河湖叉DON/ TDN较高，为59.10%～67.47%，而南北河湖叉和长水河湖叉DON/TDN较低，分别为23.62%～44.44%和47.26%～53.31%。

1号、2号采样点位于山口湖下游，DON浓度平均值为372.72 mg/kg，高于大部分采样点，这主要是因为湖体内的污染物随径流作用在下游堆积所致。通过对全湖沉积物DON与沉积物TN、TOC的相关性分析发现，DON与TN和TOC呈显著正相关（表1）。因为沉积物TN、TOC等均是湖泊污染程度的指示指标，故沉积物DON浓度随沉积物污染程度增大而增大。mg/kg，平均值为12.19 mg/kg；占DON、TDN和TN的比例分别为2.50%～8.03%、1.06%～3.12%和0.16%～0.30%，平均值分别为4.35%、1.91%和0.22%。氨基酸浓度分布表现出与DON相同的规律，即污染程度不同的3个湖叉，平均浓度依次表现为长水河湖叉（13.01 mg/kg）＞南北河湖叉（10.87 mg/kg）＞土鲁木河湖叉（9.70 mg/kg）。污染相对严重的湖区沉积物游离氨基酸较污染程度轻的高；下游坝口附近氨基酸浓度平均值为16.07 mg/kg，也高于大部分采样点。

表1　山口湖沉积物DON、TN、TOC的相关性分析Table 1Correlations between DON and TN，TOC in Lake Shankou sediments

图3　山口湖沉积物氨基酸浓度分布及其在DON、TDN和TN中的比例Fig.3Contents of FAA and its relative ratio in DON，TDN and TN of Lake Shankou sediments，respectively

茚三酮比色法测定的氨基酸浓度主要是游离态氨基酸，游离态氨基酸能够被异养微生物细胞内的酶水解为NH+4直接利用［21］。通常，游离态氨基酸所占比例较低，游离氨基酸浓度在林地土壤中占DON比例为1.5%～10.6%［8，20］，农田土壤中为3%［7-8］，林地枯枝落叶层中为4.46%～10.02%［8，17］。本研究中沉积物游离氨基酸浓度及其在DON中的比例与学者们关于土壤中的报道结果相近，但却低于林素梅等［19］报道的洞庭湖、鄱阳湖等湖泊沉积物中游离氨基酸浓度及其在DON中的比例。这可能与湖泊沉积物所处的环境特征有关，山口湖地处小兴安岭西坡余脉向松嫩平原延伸的过渡地带，湖区周边森林相对密集，受人类干扰较少，游离氨基酸来源主要是枯枝落叶的分解。而洞庭湖、鄱阳湖等旅游业发达，周边人口不断增多，娱乐活动越来越频繁，大量城市污水未经处理直接排入湖体，导致洞庭湖、鄱阳湖等湖泊污染程度明显高于山口湖。这与林素梅等［19］的研究结论一致，即污染严重的湖泊沉积物游离氨基酸浓度均较污染程度轻的高。说明山口湖沉积物DON易分解组分较少，不容易被微生物和植物直接利用，不容易对湖泊富营养化造成影响。

2.1.2山口湖沉积物氨基酸浓度

山口湖沉积物氨基酸浓度分布及其在DON、TDN、TN中的比例如图3所示。由图3可见，山口湖沉积物氨基酸浓度与DON类似，为9.21～18.53

2.2DON分子量分级特征

图4显示5个采样点沉积物的DON、DOC浓度和SUV254分布特征。由图4可见，DOC浓度为363.00～851.00 mg/kg，SUV254为0.24～0.37。位于上游的8号、中游的7号和下游的2号采样点沉积物DOC浓度存在明显差异，表现出下游＞中游＞上游；从3个湖叉口分析来看，DOC浓度表现为南北河湖叉（13号）＞长水河湖叉（5号）＞土鲁木河湖叉（8号）；SUV254则表现为长水河湖叉＞土鲁木河湖叉＞南北河湖叉。

图4　山口湖沉积物分子量分级的采样点DON、DOC浓度和SUV254分布特征Fig.4DON，DOC and SUV254of the sediment samples in five sites from the Lake Shankou

图5为2号、5号、7号、8号和13号5个采样点沉积物样品DON、DOC和SUV254分子量的分级结果。由图5可见，各采样点沉积物DON在每个分子量范围内的分布差异性不大，主要分布在＜1 ku和＞30 ku。5个采样点相对分子量＜1 ku的DON所占比例分别为54.21%、46.15%、41.37%、51.30%和41.10%，平均值为46.83%；＞30 ku所占比例为28.07%、34.34%、40.85%、33.67%和28.95%，平均值为33.17%。可见，山口湖沉积物DON小分子量占主要部分。沉积物SUV254分子量分布规律与DON基本一致，主要分布在＜1 ku和＞30 ku范围内，小分子量（＜1 ku）占主要部分，所占比例分别为70.39%、69.69%、67.80%、42.11%和66.19%，平均值为63.24%。沉积物DOC分子量也主要分布在＜1 ku和＞30 ku范围内，但是分布规律与DON规律相反，大分子量（＞30 ku）所占比例相对较高，分别为39.20%、40.42%、45.07%、31.52%和40.64%，平均值为39.37%。

图5　山口湖5个采样点沉积物DON、DOC、SUV254分子量分级Fig.5Percentages of DON、DOC and SUV254in each MW fraction for the sediment samples in five sites from the Lake Shankou

DOC/DON经常被用来作为天然有机物来源的潜在指标［14，22］。DOC/DON越低，表示有机质主要来自内源，反之则来自外源［23-24］。图6为5个采样点的沉积物分子量＜1 ku和＞30 ku范围内的DOC/ DON。由图6可见，2号采样点分子量＜1 ku和＞30 ku的DOC/DON较高，分别为12.61和36.30。与美国地质调查局水质评价数据库中数据相比较，＜1 ku的DOC/DON处于中等水平，而＞30 ku的DOC/DON处于较高水平［22］。这说明2号采样点分子量＜1 ku的DON既有外源性输入，也有沉积物本底的内源释放，＞30 ku的DON主要来自湖水中DON的输入，包括水体中营养盐沉积、浮游生物排泄物和尸体的沉积等。2号采样点处于下游，湖体内的污染物随径流作用在下游堆积，且2号采样点离污染较重的长水河湖叉很近，加上周边存在旱坡耕地，降雨冲刷产生的农田径流直接流入湖中，导致该点污染物排放浓度高，污染较重。5号、7号、8号和13号采样点分子量＜1 ku和＞30 ku的DOC/ DON较低，分别为0.88～3.80和1.93～9.42，低于上海黄浦江的DOC/DON（14.6）［15］。说明这4个采样点沉积物DON主要来自沉积物本底的内源释放。其中，8号、13号采样点在分子量＜1 ku和＞30 ku范围内DOC/DON都很小，平均值分别为1.11和2.22，说明内源本底污染物对8号和13号采样点处沉积物中有机质的贡献更大，因为这2个采样点均处在上游，且周围遍布森林，几乎没有农田，沉积物有机质主要来自枯枝、落叶的腐烂等内源。

图6　山口湖沉积物分级后DOC/DON特征Fig.6The characteristics of DOC/DON ratios for the five sediments samples after fraction in Lake Shankou

3　结论

（1）山口湖沉积物DON浓度为124.41～560.17 mg/kg，平均值为304.78 mg/kg，占溶解性总氮（TDN）的45.25%，占总氮（TN）的5.27%；氨基酸浓度为9.21～18.53 mg/kg，平均值为12.19 mg/kg，占DON、TDN、TN的比例分别为4.35%、1.91%和0.22%。这部分氨基酸主要来源于自然源输入，其在TDN、TN中的比例显著低于受人类影响较大的湖泊沉积物。

（2）沉积物分子量分级结果表明，DON和SUV254均以小分子量（＜1 ku）占主要部分，DOC以大分子量（＞30 ku）为主。

（3）沉积物DOC/DON结果表明，位于下游的2号采样点沉积物中分子量＜1 ku有机物来源于沉积物本底营养物的释放和外源水体的输入，分子量＞30 ku有机物主要来自水体中有机物的输入。8号、13号采样点沉积物中分子量＜1 ku和＞30 ku的有机质来源于沉积物本底营养物的释放。

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A Study on Distribution Characteristics of Dissolved Organic Nitrogen（DON）in the Sediments of Lake Shankou

HUA Fei1，ZHAO Guang-chao1，ZHANG Jing-tian2，ZAN Feng-yu1，JIA Qi-na1，HUO Shou-liang2
1.College of Environmental Science and Engineering，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China 2.Chinese Research Academy of Environmental Science，Beijing 100012，China

The contents and distribution characteristics of dissolved organic nitrogen（DON）and free amino acids（FAA）from the sediments of Lake Shankou，a typical mountain lake in northeast region were studied.The results indicated that the DON contents ranged from 124.41 to 560.17 mg/kg with averaged value of 304.78 mg/kg，comprising 45.25%of total dissolved nitrogen（TDN）and 5.27%of total nitrogen（TN）in Lake Shankou.The contents of FAA varied from 9.21 to 18.53 mg/kg with averaged value of 12.19 mg/kg，comprising 4.35%of DON，1.91%of TDN and 0.22%of TN，respectively.The DON molecular fraction results indicated that the dominating fractions of DON and SUV254were low molecular weight with MW＜1 ku at the sampling stations，and the dominating fraction of DOC was high molecular weight with MW＞30 ku.At Station 2 in the downstream of Lake Shankou，the small MW fractions（＜1 ku）with middle-level DOC/DON ratios were derived from both internal release and exogenous sources，while the large MW fractions（＞30 ku）with high DOC/DON ratios mainly from external input in water.The small MW fractions（＜1 ku）and high MW fractions（＞30 ku）were with much low DOC/DON ratios at Stations 8 and 13，implying that they were mainly from internal sources.

sediment；dissolved organic nitrogen；distribution；molecular fractionation

X524

1674-991X（2015）02-0129-07doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.02.019

2014-12-15

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07101-002）；国家自然科学基金项目（41303085）

华飞（1988—），男，硕士，主要从事湖泊沉积物溶解性有机氮研究，hf0820030@163.com

*责任作者：霍守亮（1981—），男，副研究员，博士，主要从事湖泊营养物基准标准及氮磷迁移转化研究，huoshouliang@126.com