富营养化湖泊藻类有机磷化学结构与酶解特征研究

Cyanobacterial blooming is a severe problem in eutrophic lakes globally. Generally speaking, degradation of cyanobacteria and release of their nutrients (e.g. organic and inorganic phosphorus) from the dead bodies provides the major nutrient source for repeated algae blooming. Research on transformation of the structures, influencing factors and biodegradation characteristics of organic phosphorus (P) in algae is a crucial step in understanding the mechanism of algae blooming and biogeochemical cycle of P in eutrophic lakes. In this project, algae from Lakes Taihu and Chaohu in China were taken as examples for investigation of the biogeochemical cycle of organic P in eutrophic lakes. Based on the laboratory simulation experiments and analysis of samples in the field, by combining with the new technologies such as solution 31P-nuclear magnetic resonance (NMR), high resolution 2D 1H-31P NMR and enzyme hydrolysis, the component characteristics, conversion process and bioavailability of organic P (e.g., labile monoester P, diester P and phytate) in different stages of algae blooming (e.g. early, late and during the process of algae blooming) were studied. The biogeochemical cycle of organic P from algae and its relationship with algae blooming were also analyzed. This project will provide important theoretical information for control of the eutrophication levels in eutrophic lakes.

蓝藻水华暴发是全球富营养化湖泊面临的重要问题。一般认为，蓝藻水华衰亡后营养盐如有机磷降解和无机磷释放快速补充是蓝藻持续暴发所需要的来源。水华暴发不同阶段藻类有机磷组成结构的转化、影响因素与生物降解特征是理解富营养化湖泊蓝藻水华暴发机理和磷生物地球化学循环的重要环节。项目拟选择我国蓝藻水华暴发频繁的典型湖泊：太湖和巢湖，利用一维液体磷核磁（31P-NMR）、高分辨率二维1H-31P NMR、生物酶水解等系列高新技术，结合室内模拟实验与野外样品分析方法，揭示水华暴发不同阶段（暴发前、暴发中、衰亡后）藻类有机磷组分（如活性单酯磷、二酯磷、植酸磷等）组成特征、转化过程和生物有效性，探讨藻类来源有机磷转化循环与蓝藻水华暴发之间的耦合机制。成果可为富营养化湖泊控制与治理提供理论依据。

项目自开展以来，严格按照任务计划书的要求进行研究工作。以太湖和巢湖为研究对象，建立了湖泊藻类有机磷（Po）富集浓缩、提取等系列前处理分析技术；联合生物酶水解和液态磷核磁共振技术，构建了湖泊藻类Po组成结构及生物有效性表征技术体系；综合研究了湖泊藻类中Po降解行为及其环境效应，对比分析了藻类、水生植物和沉积物来源的Po对湖泊内源污染的贡献份额，阐述了Po生物地球化学循环与湖泊富营养化及蓝藻水华爆发的响应关系，深入探讨了环境因子对湖泊藻类Po迁移转化特征及环境行为，有助于完善湖泊Po生物地球化学循环理论，为湖泊富营养化控制与修复技术提供科学依据。主要研究成果如下：.采用优化后的提取剂（0.5M NaOH+25mM EDTA）提取湖泊中藻类，提取率高达90%以上；在太湖和巢湖的调查中发现，藻类磷元素主要由正磷酸盐、单酯磷、二酯磷以及焦磷酸盐组成，且主要以Po为主，尤其是单酯磷，其平均含量占总Po的50%以上，其次为正磷酸盐，太湖焦磷酸盐所占比例是巢湖的3倍，二酯磷含量均较低（≤0.3%），藻类单酯磷由ɑ甘油酯、β甘油酯、葡萄糖6磷酸以及其他单酯磷组成；在水体各种生物酶作用下，有22.6%~36.7%的Po直接释放至湖泊水体转化为生物有效磷，在沉积物中各种生物酶作用下，有6.8%~32.7%的Po间接释放至湖泊水体中转化为生物有效磷，藻类来源的Po是蓝藻水华暴发后潜在的二次营养盐风险源；气候变暖在某种程度上促进了湖泊藻类生物有效磷的释放，减缓了湖泊自我修复的速度，但不同湖泊对温度变化的响应也具有差异，如温度升高时，太湖藻类的正磷酸盐和膦酸盐大量减少，而巢湖藻类中的焦磷酸盐反而增高，这表明湖泊磷组分与各环境因子间的反馈机制具有差异性。