基于核磁共振技术的滆湖沉积物有机磷垂直分布特征

陈 晶,张毅敏,杨 飞,孔 明,张志伟,巴翠翠,尹 杰

(1.常州大学环境与安全工程学院,江苏 常州 213164;2.环境保护部南京环境科学研究所,江苏 南京 210042)

在浅水湖泊中,沉积物作为湖体营养物质的“汇”,同时又是湖泊营养物质的“源”,其含量和形态对水体浮游生物的数量、分布和初级生产力贡献水平以及湖泊水体富营养化都有重要影响[1-2]。沉积物的内源释放能够维持上覆水体中营养盐浓度,引起藻华现象频繁发生[3],因此研究沉积物中磷的含量、赋存形态及其在时间序列上的迁移转化规律尤其重要。

在太湖[3]采用传统测试方法开展沉积物中有机磷赋存形态、空间和垂向变化特征的相关研究结果表明,总磷与各形态磷含量之间均呈较好的正相关关系,有机磷与铁铝结合态磷(NaOH-Po)含量密切相关。间隙水中溶解性磷酸盐与沉积物中各形态磷均具有一定的正相关性,空间分布上也呈现出规律性。近10多a滆湖周围工农业生产及湖面围网养殖迅速发展,导致湖体水质污染和富营养化急剧加重,水生生物多样性降低,湖泊从过去清水草型逐渐演化为浊水藻型[4],湖泊生态系统日趋脆弱。目前,针对滆湖不同生态类型湖区柱状沉积物中有机磷形态的垂向分布及其迁移转化规律的研究鲜见报道,笔者采用有机磷连续分级提取和核磁共振磷谱测试方法,探讨时间序列上各种有机磷之间的迁移转化规律，以期为滆湖内源污染的治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与方法

滆湖位于长江三角洲太湖流域西部,地处常州市武进区西南部,跨武进和宜兴两市,属洮滆水系,总面积164 km2, 多年平均水位3.3 m,平均水深1.27 m,湖水面积149 km2,蓄水量1.575×108m3,是苏南地区的第2大湖。

常合高速公路将滆湖分为南北两部分,其中北部约占总面积20%,两侧交换量并不是很大。南部绝大部分区域水质和生物量与北部相比有明显差异,且湖区生态结构也有明显差异。塘门沟是目前北部湖区与支流孟津河的唯一汇合点,水流量较大且沉积物富集速率也较快,能够代表北部受污染影响最大的地段。滆湖中部区域主要是渔业养殖区,围网养殖饵料的沉积对水体造成较大污染,使许多耐污能力差的沉水植物难以生长[5]。南部殷村港是目前滆湖唯一存在大面积水生植被的湖区,此处生长着大量茭草、芦苇、金鱼藻、睡莲、马莱眼子菜和菱角等大型水生植物,包括浮叶、挺水和沉水植物,其演替符合草型湖区。

2015年9月底于滆湖南部草型湖区殷村港、中部渔业养殖湖区繁保区和北部入湖湖区塘门沟分别采集45、45和30 cm高的沉积物柱状样。采样点位置如图1所示,采样点G1(31°47′45.9″ N,119°47′45.9″ E)位于滆湖南部殷村港低污染出湖净化区示范工程内部,生长有大量挺水和沉水植物,表层沉积物质地较软,颜色大致呈黄褐色。采样点G2(31°34′5.7″ N,119°48′37.1″ E)位于滆湖中部渔业繁保区周围,该地有大量围网,生物密集程度较高,采集的沉积物为较软的淤泥,颜色发黑且伴有腥臭味。采样点G3(31°39′59.1″ N,119°47′14.6″ E)位于北部孟津河与滆湖交汇处,外河生活污水于此汇聚并流入滆湖内,沉积物呈青灰色。所有采样点均用全球定位系统GPS定位,准确记录采样点坐标。

1.2 分析方法

所采集柱状沉积物在现场以5 cm为单位进行分样,装入自封袋并贴好标签,回实验室后放入冷冻干燥机(LGJ-12,博医康)中进行真空干燥,干燥完毕后研磨并过0.15 mm孔径筛,保存在自封袋中备用。

图1 滆湖采样点位示意Fig.1 Distribution of sediments sampling points in Gehu Lake

沉积物总磷和无机磷、有机磷总含量采用SMT分离法[6]进行测试,有机磷分级连续提取采用改进的Ivanoff[7]的土壤分级方法,有机质含量由沉积物在500 ℃下煅烧2 h后烧失量得到[8]。核磁共振仪为AV500(SB)(Bruker,瑞士)。液相31P核磁共振(31P-NMR)分析前,采用0.25+0.05 mol·L-1的NaOH-EDTA混合试剂对沉积物进行提取后,将提取物浓缩,浓缩样品先解冻,然后在 14 000 r·min-1条件下离心10 min(离心半径为16 cm),在提取液中加入0.1 mL氘代试剂D2O用来锁定信号。测试时采用标准腔5 mm的BBO探头,31P谱共振频率为242.739 MHz,脉冲为5.9 s,循环延迟为3 s,共扫描20 000次,测定温度为20 ℃。所有31P化学位移均参照质量分数85%的正磷酸盐。不同化学位移磷组分测定方法参照文献[9],图谱处理采用MestReNova 9 软件。

2 结果与分析

2.1 有机质总量垂向分布

从图2可知,有机质的分布与湖区类型有着紧密联系。渔业养殖湖区繁保区w(有机质)最高,为33.15～51.52 mg·g-1,平均为42.75 mg·g-1。入湖河口塘门沟次之,为21.25～44.65 mg·g-1,平均为33.43 mg·g-1。草型湖区殷村港最低,为18.62～34.42 mg·g-1,平均为26.69 mg·g-1。各湖区采样点有机质总量沿垂直方向由浅至深逐渐减少,这可能与外源污染物输入、有机质沉积并逐渐矿化分解有关[10]。

图2 沉积物有机质含量垂直分布

土壤有机质主要包括通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体。富营养化水体沉积物含有大量有机质,是水体携带的有机颗粒和水体生物死亡残体下沉堆积的结果。生物体由大量有机物组成,本身含有大量有机碳和有机磷。研究[3]认为有机物对有机磷有一定的吸附作用,由于腐殖质能和铁、铝形成有机无机复合体,提供了重要的无机磷吸附位点,从而增强了对磷的吸附。另外有研究[11]认为有机质释放H+可使矿物表面基团质子化而有利于磷的吸附。因此,有机质本身是沉积物中主要磷库[12],同时又可以通过吸附影响磷的释放[13]。故而,随着沉积物中有机物含量不断增加,有机物不断吸附有机磷，使得沉积物表层有机磷含量增高。

塘门沟水域经过清淤之后,水底基质较硬,大型水草鲜有生长,大量浮游生物因缺少竞争且大量人为营养物质排入而迅速繁殖。测试结果表明河口区w(叶绿素)大于草型区(分别为74.4和66.96 mg·m-3),河口区N/P比较草型区更有利于水华发生(两者分别为14.33和5.45)。由于浮游生物繁衍更替快于大型水生植物,河口区腐殖质及微生物残体产生量较高,加之外源有机物的大量输入,导致滆湖河口区有机质含量比草型区高。

2.2 不同形态有机磷含量及垂向分布特征

湖泊生物对沉积物可利用磷主要来源于无机磷,而有机磷通常较稳定且埋藏于沉积物内部,对湖泊内生物有效磷的补给贡献较小,所以湖泊沉积物有效磷含量估计值往往偏低[14]。将沉积物有机磷形态分为弱吸附态磷(NaHCO3-P)、钙结合态磷(HCl-P)、铁铝结合态磷(NaOH-P)和残渣态磷4种类型,NaHCO3-P及部分NaOH-P容易对上覆水体营养水平造成较大影响[15]。

由图3可知，繁保区、殷村港和塘门沟w〔弱吸附态总磷(NaHCO3-Pt)〕分别为19.6～64.5、21.2～47.5和24.4～60.2 mg·kg-1,平均为34.6、37.2和43.8 mg·kg-1。其中,弱吸附态有机磷(NaHCO3-Po)含量分别为7.7～29.7、6.6～24.5和6.5～29.7 mg·kg-1。在垂向深度上,各点位弱吸附态总磷和弱吸附态有机磷含量相差不大,且基本随深度的增加而减少。

HCl-P通常是沉积物早期地质过程中形成的[16],性质稳定,被视为非生物可利用性磷。HCl-P是沉积物磷形态分级的主要提取部分,繁保区、殷村港和塘门沟w〔钙结合态总磷(HCl-Pt)〕分别为144.7～752.4、442.3～1044.6和166.1～622.7 mg·kg-1,在垂向深度上,HCl-Pt含量在中上层变化规律并不明显,下层含量逐渐减低。钙结合态有机磷(HCl-Po)提取量普遍比HCl-Pt含量高40%,提取率较高,这与熊强等[17]研究得到滇池沉积物柱状样HCl-Po含量普遍较低的结果有所不同。

NaOH-P是沉积物主要的磷形态之一,外界环境因子的变化易导致其发生形态转化,因此具有较高的潜在生物可利用性,对上覆水营养盐含量贡献较大[15]。繁保区、殷村港和塘门沟w〔铁铝结合态总磷(NaOH-Pt)〕分别为92.4～774.1、41.2～435.9和52.1～557.6 mg·kg-1,基本随深度的增加而降低。铁铝结合态有机磷(NaOH-Po)主要包括活性较高的富里酸磷(FA-P)和非活性胡敏酸磷(HA-P),占NaOH-Pt的17.2%～47.6%。

残渣态磷与矿物质牢固结合,极难释放,因此可视为非生物活性磷[16]。沉积物中w(残渣态磷)分别为225.4～981.3、303.6～1 012.4和214.9～803.6 mg·kg-1,约占总磷含量的31.4%～53.7%。在垂直梯度上,残渣态磷与有机质含量呈相反趋势,这说明残渣态磷很可能来自于有机质的分解。

综上所述,滆湖沉积物可提取有机磷形态含量大小依次为残渣态磷、HCl-Po、NaOH-Po和NaHCO3-Po,NaHCO3-Po和NaOH-Po作为沉积物潜在可释放性磷,其含量垂直分布表现为随深度增加而减少,表层含量之和显著高于中下层。同时,与有机质进行相关性分析发现(图4),两者存在显著相关性(P<0.05),这表明有机质对有机磷产生绝大部分贡献。滆湖作为一个典型的浅水湖泊,表层沉积物极易受到风浪扰动而释放出大量磷,这部分有机磷容易释放到上覆水体,增加湖泊的营养负荷。

图3 滆湖沉积物不同形态磷含量垂直分布

2.3 31P-NMR分析

基于31P-NMR谱图分析(图5),滆湖沉积物柱状样中主要检测到5种分子形态含磷化合物:正磷酸盐(orthophosphate)，6×10-6～7×10-6;磷酸单酯(P-monoester),4×10-6～6×10-6;磷酸二酯(lipid-P和DNA-P),0～3×10-6;焦磷酸盐(pyrophosphate),-5×10-6～-2.5×10-6;多聚磷酸盐(polyphosphate),-20×10-6～-18×10-6。其中,繁保区、殷村港和塘门沟点位沉积物均以无机形态的正磷酸盐为主,分别占总含量68.4%～81.2%、71.2%～84.6%和73.4%～91.2%。磷酸单酯是沉积物有机磷的主要组成部分,主要包括肌醇磷酸、单核苷酸、磷酸糖类和部分核糖核酸(RNA)的降解产物[18]。研究表明,在厌氧条件下,磷酸单酯可以迅速矿化为磷酸盐而被水生生物利用[19]。滆湖有机磷部分以磷酸单酯为主,平均占总含量的13.7%～24.5%,且自表层向下含量逐渐降低,这与张润宇等[20]利用核磁共振表征太湖梅梁湾沉积物中磷的剖面分布结果相似。磷酸二酯主要包括核酸(DNA、RNA)、磷脂和磷壁酸,磷酯二酯在沉积物中的稳定性低于磷酸单酯,易受细菌等微生物的矿化而分解为磷酸单酯,是正磷酸盐的重要潜在来源,从而对上覆水体造成影响[17]。在巢湖表层沉积物中,检测到的磷酸二酯主要为磷脂和DNA;磷酸二酯含量一般较少,平均含量不足10%,且二酯极易分解,采样过程和样品保存过程可能导致二酯含量减少[21]。在繁保区沉积物柱状样中,检测到大大高于平均水平的磷酸二酯,这可能是由于当地生物密度长期较高,导致溶解氧含量偏低,使得磷酸单酯转化为磷酸二酯所致[22]。

图4 滆湖沉积物有机磷含量与有机质含量相关性分析

焦磷酸盐和多聚磷酸盐是沉积物无机磷的组成成分,具有较高活性,可以被水生生物直接利用,从而成为藻华爆发的潜在风险源[21]。由于焦磷酸盐在碳氮的作用下很容易被微生物分解利用,因此常被作为沉积物的正磷酸盐库,对水体营养盐状况具有重要的生态学意义[14],在塘门沟与繁保区,检测到明显的焦磷酸盐特征峰,这可能与人为活动有密切关系。膦酸盐被认为是原生动物新陈代谢的产物,它不像其他含C—O—P键的磷生物大分子,而是含有更稳定的C—P键,膦酸在环境中的含量较低，但通常稳定性和耐酸碱性强[23]。膦酸盐存在于超富营养化和富营养化湖泊中,滆湖3种湖区样品中未发现膦酸盐。

通过主成分分析(PCA)法(采用正交变换方法将高纬数据映射到低纬来降低特征难度),对有机磷分级方法提取得到的磷形态与液相31P-NMR分析得到的磷组分之间关系进行分析。PCA分析法共提取出2个主成分,其方差总和为70%。由图6可知,磷酸二酯、焦磷酸盐与多聚磷酸盐处于同一象限,相关系数绝对值较好地代表了PC2,该部分含磷化合物在图6上靠近有机质(OM),说明有机质对该部分产生较大贡献。磷酸单酯、NaHCO3-P、NaOH-P提取磷〔胡敏酸(HA)、富里酸(FA)〕在图6上更接近于31P-NMR测定的正磷酸盐,表明该部分与正磷酸盐具有较好的结合相。PC1贡献率为40.2%,其中残渣态磷有较高的正载荷,而在垂直梯度上,残渣态磷含量与有机质含量呈相反趋势,这说明PC1可能主要源于有机质的分解[24]。PC2贡献率为29.8%,其中正磷酸盐有较高的正载荷,相对而言，磷酸二酯、焦磷酸盐、多聚磷酸盐和残渣态磷有较高的负载荷,因此PC2可能主要源于磷酸二酯、焦磷酸盐和多聚磷酸盐的分解[25]。虽然残渣态磷也有较高的负载荷,但由于残渣态磷与矿物质牢固结合,极难释放,因此可视为非生物活性磷[16],对正磷酸盐没有贡献[26]。

图6 磷形态分级和液相31P-NMR技术测定各形态磷含量的主成分分析

3 结论

(1) 滆湖沉积物有机质含量由表层至底层显著降低,且各个不同生态类型湖区有机质含量从大到小依次为渔业养殖区、入湖河口区和草型湖区。

(2) 可提取有机磷形态含量从大到小依次为残渣态磷、钙结合态有机磷(HCl-Po)、铁铝结合态有机磷(NaOH-Po)和弱吸附态有机磷(NaHCO3-Po),在垂直方向上,NaHCO3-Po和NaOH-Po含量随深度增加而逐渐减少,表现为表层>中层>底层的趋势,残渣态磷含量随着深度的增加而逐渐升高。通过与有机质的相关性分析发现,两者存在显著相关性(P<0.05),这表明有机质对有机磷产生了绝大部分贡献。

(3) 沉积物中分子形态生物有效性磷共有正磷酸盐、磷酸单酯、磷酸二酯、焦磷酸盐和多聚磷酸盐5种,其中以无机形态正磷酸盐为主,平均含量超过70%,磷酸单酯是有机磷中的主要成分,且表现出随深度增加而降低趋势。磷酸二酯受环境因素影响较大,在不同生态类型湖区含量和分布显著不同。