菹草驱动的生物钙泵在水/沉积物磷循环中的作用机制研究

化解浅水湖泊富营养化加剧的矛盾有待水体磷生物地球化学良性循环之重建。前期工作发现，生长在沉积物上的菹草，其叶片有白色颗粒物，上覆水Ca2+浓度比对照高16%-29%，TP却下降26%-59%。据此，提出钙经沉水植物吸收和分泌迁移至水柱中，和水柱中磷酸盐形成CaCO3-P共沉淀，使水中磷酸盐归趋于沉积物的"生物钙泵"假说。并以菹草和沉积物为对象，研究沉积物无机钙分级和菹草根系对难溶性钙盐的溶解作用；菹草根系形成根斑前后，其根系、叶片及上覆水Ca、Fe、Al、P分布差异和Ca2+吸收、分泌（释放）动力学特性；菹草根系和同期叶片Ca2+-ATP酶活性及其影响因素以及叶片Ca分泌结构特征；菹草叶片白色淀积物和同期沉积物表层淀积物中CaCO3-P共沉淀的结晶学和分配特点。研究结果将阐明在沉水植物存在下，水中总磷或溶解性无机磷变化过程中一条具体途径，使水体磷的生物地球化学循环理论取得新的进展或突破。

本项目完成了以下研究：（1）菹草生长下不同沉积物及上覆水中Ca、P及叶绿素a的表观差异；（2）菹草叶片淀积物中CaCO3-P共沉淀结晶学特征、淀积物中CO32-、PO43-的分配特征；（3）沉积物无机钙分级体系的建立及其影响因素；（4）菹草根、茎叶吸收、释放Ca2+动力学特性及温度、pH、Ca2+浓度对动力学参数的影响；（5）菹草根、叶质膜Ca2+-ATP酶活性及其受温度、H+等离子及底物浓度的影响。研究印证了从沉积物中钙活化为起点，钙经菹草根系吸收转运至地上部，从地上部部分泌迁移至叶际，导致叶际中碳酸钙的形成，同时，磷酸盐与其发生CaCO3-P共沉淀使水中磷酸盐归趋于沉积物。主要成果如下：. 1、上覆水中磷以微量组分进入碳酸钙沉淀中形成CaCO3-P共沉淀，上覆水中总磷从0.4mg/L下降到0.1mg/L以下，而溶解态磷可下降到0.02mg/L水平。白天沉水植物的光合作用导致上覆水pH比夜间高出10.6%；白天碳酸钙饱和指数更易大于零, 促进CaCO3-P共沉淀。磷在共沉淀中分配系数可达到2~3。. 2、在菹草叶面淀积物表征中，发现其以CaCO3为主。化学分析结果表明，共沉淀中CaP = 2001左右变化；P不易被仪器直接测出。用离子积和溶度积衡量，叶际磷的沉淀物不再是CaHPO4这种简单磷沉淀形式，而以磷酸八钙为主，在菹草生长过程中有向羟基磷灰石转化的可能。. 3、在沉积物中各形态钙中交换性钙一般占总钙的75%~80%，弱碱性且有机质较高的沉积物虽然其碳酸钙含量高，但其交换性钙仍然可占到总钙的50%左右。沉积物不同形态钙与不同形态磷存在着不同的相互关系，其交换性Ca与Ca2-P达到极显著负相关。. 4、菹草根系对钙吸收可以用米氏方程拟合，根系对钙最大吸收量随时间延长而减小，对钙亲和力随时间延长而增加。菹草茎叶对钙释放可以用一级动力学方程来描述，根系环境中10mg/LCa2+是菹草吸收和释放钙最适浓度。. 5、菹草根细胞质膜Ca2+-ATPase活性最适温度为40℃，其活性随温度而变的趋势较快；叶细胞质膜Ca2+-ATPase活性在45℃时达到最高，活性随温度而变化稍平缓；在最适pH下，菹草根细胞质膜Ca2+-ATPase活性是叶细胞质膜Ca2+-ATPase活性的3.76倍。