湖泊沉积物有机磷生物有效性与埋藏机制研究

Organic phosphorus (P) is an important composition of internal load of P for lakes. Mechanisms of transformation, bioavailability and preservation of organic P in the sediments are fundamental for understanding the biogeochemical cycle of organic P and algal blooms. Sediments from Lake Taihu and Dianchi were taken as an example to investigate the biogeochemical cycle of organic P in this project. Based on the procedure designed for evaluating the bioavailability of organic P by enzymatic hydrolysis (e.g., alkaline phosphatase, phosphodiesterase, and phytase), combining the new analysis methods including 31P-NMR and 2D 1H-31P NMR, the chemical structure and enzymatic degradation of organic P were analyzed. Than the bioavailability of organic P (e.g., labile monoester P, diester P and phytate) were discussed. Based on laboratory simulation experiments and analysis of samples collecting in field, influence of organic matter (e.g., humic acid and fulvic acid) on the bioavailability of organic P was investigated. The composition and bioavailability of organic P in the profile of sediments was analyzed by comprehensive methods including physical, chemical and biological analysis, than mechanisms of preservation of organic P in the sediments were discussed. This project will provide scientific basis for the biogeochemical cycle of nutrients, pollution control and ecological remediation.

有机磷是湖泊中内源磷的重要组分，沉积物中有机磷的迁移转化、生物利用和埋藏机制是理解富营养化湖泊磷生物地球化学循环和水华暴发机理的重要环节。项目拟选择太湖和滇池为主要研究区域，在建立利用酶水解法（如碱性磷酸酶、磷酸二酯酶和植酸酶）分析有机磷生物有效性研究方法的基础上，结合液体31P-NMR和二维1H-31P NMR新技术，详细阐述湖泊沉积物中有机磷分子组成，及其不同有机磷组分（如活性单酯磷、二酯磷和植酸磷）的生物(酶)降解特征及其差异性，揭示沉积物中有机磷的生物有效性。运用模拟实验和野外样品分析方法，阐明有机质（如腐殖酸和富里酸）对有机磷生物有效性的影响机理；结合物理、化学和生物要素的综合分析，阐述不同沉积深度有机磷组分剖面分布特征和变化规律，揭示有机磷沉积埋藏机制。成果对认识湖泊养分生物地球化学循环、污染控制和生态修复提供理论依据。

有机磷（一般可包括多聚磷酸盐）是湖泊中内源磷的重要组成，沉积物中有机磷的结构组分、迁移转化、生物有效性和埋藏机制是理解湖泊磷生物地球化学循环重要环节，也是认识磷循环与蓝藻水华暴发重要环节。然而，由于湖泊中有机磷的复杂性和分析方法缺乏，直到近些年有机磷的研究及其与富营养化的关系才逐渐引起人们的关注。大多数有机磷被认为是易降解并释放正磷酸盐，湖泊沉积物，尤其是深层沉积物中有机磷长期埋藏和保存机制仍是未知的。研究有机磷生物有效性，同时关注有机磷在沉积物中埋藏和保存机制，不仅可以全面揭示沉积物中有机磷循环特征，而且可以为富营养化湖泊内源有机磷有效控制和削减提供科学依据。. 因此，本研究以湖泊沉积物有机磷为研究对象，采用31P-NMR分析其结构组分特征，以酶解法研究其酶可水解程度即生物有效性，并分析影响有机磷酶降解因素，最终阐述沉积物中有机磷埋藏和保存机制。针对沉积物中来源不清楚问题，首先采用31P-NMR分析了我国不同区域13个典型湖泊沉积物有机磷结构、组成特征，并分析其有机质来源特征。有机质来源与有机磷组成相关性分析，表明陆源输入和水生植物输入有机质是沉积物中植酸磷的主要来源，大量内源藻类有机磷可能快速降解，具有较高的生物有效性。. 综合使用31P-NMR和酶解法，研究了湖泊沉积物中有机质（如腐殖酸）和矿物（如针铁矿和蒙脱土）对有机磷酶水解程度即生物有效性影响表明：（1）在腐殖酸（HA）、金属离子（Mn+）共同作用下，可与有机磷（Po）形成HA- Mn+- Po的复合物，并降低沉积物中Po酶降解程度，促进Po，尤其是类植酸磷在沉积物中埋藏；（2）有机磷在被矿物吸附后，其被酶降解程度也降低，尤其类植酸磷被酶解程度大大降低，及其生物有效性大大降低，也促进Po，尤其是类植酸磷在沉积物中埋藏。沉积物中活性单酯磷和二酯磷是重要生物有效性内源磷来源，其生物有效性受其他有机质和矿物影响很小，其再循环过程是富营养化湖泊蓝藻水华周期性暴发重要因素之一。