不同来源有色溶解性有机物光化学/微生物降解过程

城市非点源污染向水生生态系统中输入大量的溶解有机物(DOM),对生态系统健康产生重要影响.有色可溶性有机物(CDOM)是广泛分布于自然水体中的一类成分和结构复杂、含有多种高活性化学官能团的大分子聚合物,是DOM的重要组分,对水生生态系统健康、能量流动及生物地球化学循环有重要影响.光化学反应和微生物代谢过程被认为是控制水体CDOM转化、降解和循环的主要影响因素.然而,对城市化如何影响CDOM组成以及光化学和微生物如何相互作用影响城市水体CDOM动态的理解是不足的.因此,为评估光化学过程和微生物代谢对不同城市水体CDOM降解与转化的贡献,解析不同城市水体CDOM光化学/微生物降解作用机理,本研究在英国伯明翰选择3类具有典型DOM来源的水体样本,通过实验室9 d受控培养实验,对比分析光化学以及微生物影响下CDOM来源和组成的变化.结果表明:(1)城市河流由于接受上游污水排放及较短的水力滞留时间,含有丰富的芳香性碳,其CDOM光化学活性明显高于湖泊,光化学降解率为16.60%;(2)城市湖泊CDOM受人类活动影响,自生源类荧光成分富集,生物活性高,在微生物培养过程中CDOM增加了62.16%,...     

基于三维荧光和平行因子分析法的太湖水体CDOM组分光学特征

基于2008年11月份太湖全湖69个样点的CDOM三维荧光光谱数据,将平行因子分析法与现有荧光基团相结合,确定CDOM的组成成分及其荧光光谱特征,进一步分析其动力学机制.太湖CDOM荧光基团主要是类腐殖质,其类蛋白质组分可能主要来源于太湖水体生物残骸;同时,类腐殖质荧光发射波长随着荧光强度的增加向长波方向移动,存在红移效应.利用平行因子分析法可以将三维荧光矩阵分解为6个主成分,这6种成分可以解释92.48%的变量,平均贡献率分别是PCI占19.709%,PC2占18.685%,PC3占16.914%、PC4占16.62%、PC5占15.514%、PC6占12.558%.275nm处的吸收系数肩值除去受陆源类腐殖质影响外,影响其大小的主要是峰N,其次是峰M;而影响该肩值形状的主要是峰A和N,其次是峰T和M.根据荧光基团的类别,太湖CDOM源类型可以分为四类:①陆源主导类型;②偏陆源主导类型;③偏海源主导类型;④海源主导类型.     

太湖蓝藻水华的预防、预测和预警的理论与实践

综述了蓝藻水华预防、预测预警的重要意义及其理论与技术体系.基于作者所提出的将蓝藻水华形成分为休眠、复苏、生长和上浮聚集形成水华的四阶段理论,以及太湖蓝藻越冬、春季复苏和水华形成的时空规律,提出了太湖蓝藻水华的预防理念.综述了国内外蓝藻水华形成与预测研究进展,阐述了蓝藻水华形成关键过程的主导生态因子及其阈值:确定了水华蓝藻越冬的空间分布与生命特征,利用室内模拟实验和野外原位观测与捕捉,得到了蓝藻春季复苏的室内和野外温度阈值分别为14℃和9℃,发现了蓝藻复苏量与有效生理积温呈正相关的基本规律;初步揭示了水华蓝藻生长竞争优势形成的生物学与生态学机理以及光利用策略,利用细胞分裂频率法测定了夏季太湖水华蓝藻的原位生长速率为0.2-0.4;确定了在不同水文气象条件下,水华蓝藻在水体中垂直分布和在不同湖区之间输移的基本格局,发现藻类在水体中各层间百分含量的变异系数随着风浪的增大而减小,进一步证明了蓝藻水华形成是在适当水文气象要素驱动下,已经成为优势种群的水华蓝藻在湖体中空间位置的改变而引起的.建立了太湖蓝藻水华预测模型和工作流程,在2007年和2008年在太湖实施了未来3d的蓝藻水华预测预警,预测分析了2008年全年太湖蓝藻水华情势.对预测结果的回顾性评估与分析表明,目前已有的理论研究结果和预测工作流程可以对太湖蓝藻水华发生概率、发生地点和强度进行预测,预测准确率达到60%-80%.此外,还提出了未来蓝藻水华预测的研究方向.     

基于MODIS数据的太湖藻华水体识别模式

针对2007年5月太湖爆发的蓝藻水华事件,利用MODIS植被指数数据对其进行遥感监测.结果表明:MODIS数据可成功提取蓝藻水华信息.近红外/红光波段比值识别模式和植被指数NDVI值、EVI值识别模式均可确定蓝藻分布范围,但前两者不易将高浑浊水体区分开来,或不易识别低蓝藻分布区域,因此易扩大或缩小蓝藻分布范围;而后者由于引入了背景调节参数,可有效抑制背景水体及泥沙的影响,因此根据EVI值得到的蓝藻范围及强度较为真实的反映了藻华情况.该研究可为今后利用遥感技术,建立太湖蓝藻水华监测系统奠定基础.     

太湖五里湖水体悬浮物中水溶性有机质(WSOM)的荧光光谱组分鉴别及其与氮形态的关系

采用三维荧光光谱-平行因子法(EEMs-PARAFAC)分析太湖五里湖水体悬浮物中水溶性有机质(WSOM)的荧光光谱特征,研究其组分类型、分布规律以及来源,进一步探讨悬浮物中水溶性有机氮和无机氮含量与WSOM荧光组分之间的关系.结果表明,悬浮物中WSOM荧光组分主要由2个类腐殖质(C1、C2)和1个类色氨酸类蛋白质(C3)组成.总荧光强度在57.56~200.01 R.U./g之间,平均为115.42 R.U./g,其中C1、C2、C3的相对比例分别为35.55%、34.05%和30.40%;空间上由西向东逐渐增强,东五里湖高于西五里湖,沿岸区高于湖心区.荧光指数和生物源指数变化范围分别在1.48~2.34和0.65~0.87之间,反映了悬浮物中WSOM主要来源于微生物、藻类的自生生物源.多元回归统计分析结果表明,悬浮物WSOM与氮元素的迁移转化密切相关,且有机氮与WSOM荧光组分的相关系数大于无机氮.     

峡谷分层型水源水库表层沉积物溶解性有机物光谱特征

结合三维荧光光谱技术（EEMs）与紫外吸收光谱（UV-vis）,并利用平行因子分析（PARAFAC）的方法,对金盆水库表层沉积物中溶解性有机质（DOM）光谱的空间分布特征及来源进行分析,并探讨沉积物DOM的荧光组分与可溶性有机氮（SON）、可溶性无机氮（SIN）之间的相关性.结果表明,金盆水库表层沉积物DOM由3类荧光组分组成,分别是类富里酸C1（235 nm,315 nm/430 nm）、类色氨酸C2（220 nm,275 nm/330 nm）和类胡敏酸C3（265 nm/520 nm）,各组分荧光强度占总荧光强度百分比的平均值分别为43.15%、31.54%和25.31%.表层沉积物DOM浓度在空间上呈现从上游到主库区先减少后增加的趋势.光谱斜率S_275-295、S_350-400和光谱斜率比S_R反映出各采样点陆源与内源占比的差异性.荧光指数、自生源指标和腐殖化指标都表明金盆水库沉积物DOM的来源具有内源与陆源双重特征.相关性分析表明,表层沉积物DOM各组分与SON和SIN均呈显著正相关,说明DOM与氮元素的迁移转化密切相关.     

后生浮游动物摄食对太湖夏季微囊藻水华形成的作用

为了了解后生浮游动物的摄食作用在太湖夏季微囊藻水华形成中的作用,2009年7月15日至8月14日取太湖梅梁湾湖水开展了后生浮游动物对微囊藻水华形成作用的野外模拟实验.实验期间,未过滤掉后生浮游动物的对照组出现了漂浮在水面、肉眼可见的微囊藻水华,而过滤掉后生浮游动物的实验组没有出现微囊藻水华.结果显示,对照组整个实验期间都有后生浮游动物存在,共发现了9种后生浮游动物;而实验组在实验第6 d发现有后生浮游动物出现,整个实验期间共发现了3种后生浮游动物.浮游动物生物多样性分析显示对照组显著高于实验组.实验后期(21～30 d),对照组微囊藻平均密度显著高于实验组.整个实验期间,惠氏微囊藻(Microcystis wesenbergii)和水华微囊藻(Microcystis flos-aquae)密度均显著高于实验组,且惠氏微囊藻密度占对照组微囊藻总密度的60.79%.研究结果表明,太湖夏季后生浮游动物摄食并不能控制太湖蓝藻水华,相反,后生浮游动物特别是大型浮游动物能促进蓝藻水华的形成.同时表明,后生浮游动物群落结构可能是影响微囊藻水华形成的重要因素.     

微生物对太湖微囊藻的好氧降解研究

通过模拟实验研究了微生物对微囊藻残体的降解作用。水体内悬浮质和各主要形态磷浓度的变化结果表明：微囊藻的好氧分解符合一级动力学,其乳浮质和颗粒性磷的浓度呈指数关系递减,降解速度分别为０．２２７／ｄ和０．０８８／ｄ。经３２ｄ降解后,水体内的总溶解磷和可达总磷的５３％,而ＴＤＰ的主要成分为ＰＯ＾３－Ｒ。     

五株微囊藻毒素降解菌的分离与鉴定

有毒蓝藻产生的蓝藻毒素导致地表水的污染已是全球普遍的现象,最常见的毒素是能导致肝癌的肝毒素微囊藻毒素(MC),迄今为止尚无适用的MC驱除技术,微生物降解MC可能是一条有效的途径．本研究以铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa PCC 7806)所产生的MC为底物,从多个形成微囊藻水华的水体中分离获得能显著降解MC的细菌18株,相对降解能力从18．4％到48．2％．对其中5株MC相对降解能力较强的菌,通过形态特征和生理生化特征分析,鉴定出5株菌分别为:不动细菌属(Acinetobacter)、肠杆菌属(Enterobacter)、微杆菌属(Microbacterium)、芽孢杆菌属(Bacillus)和弗拉特氏菌属(Frateuria),均不同于已报道的属种．     

太湖梅梁湾藻华暴发-消退周期表层水体溶解性有机质分子特征

人类活动引起的富营养化对太湖的碳循环模式可能产生严重影响,精细描述太湖藻华暴发-消退周期的溶解性有机质分子是了解太湖碳库动态变化的关键.本研究利用傅立叶变换离子回旋共振质谱技术,以太湖北部梅梁湾2017年5月至2018年5月的表层水体为研究对象,解析藻华暴发-消退周期溶解性有机质的来源和分子组成特征,进而理解浮游藻类异常增殖对水体溶解性有机质的影响及其在区域碳循环中的角色.研究结果表明,藻华暴发期浮游藻类生产力显著增加,使得表层水体的溶解性有机质从含量到分子组成均发生剧烈改变.含量上表现为溶解性有机碳浓度升高,分子组成上表现为CHO类化合物和以脂肪族类化合物为代表的活性组分占比增加,特征化合物以相对高饱和度和高含氧的小质量数分子为主.而在藻华消退期,随着藻类有机质贡献的减少和有机质降解过程的持续进行,含量上表现为溶解性有机碳浓度下降,分子组成上表现为CHOS、CHONS类化合物和富羧酸脂环类化合物等惰性分子占比增加,特征化合物以大质量数分子和相对低饱和度和低含氧的小质量数分子为主.研究结果表明,太湖水体的溶解性有机质分子组成在藻华暴发期受藻类有机质输入控制,在消退期受藻类有机质降解的影...     

太湖有色溶解有机物对水体总吸收贡献的遥感估算

有色溶解有机物(CDOM)是决定自然水体水色的主要溶解物质,其吸光能力和光化降解产物对水体初级生产力和碳循环过程具有重要影响.以太湖为研究区,2004年10月、2008年10月、2010年4月和2011年1月和3月共5期实测数据,采集了333个有效样点,分析不同时期CDOM对水体总吸收的贡献,并利用遥感技术估算[a_CDOM/a_t](412).结果表明:不同时期[a_CDOM/a_t](412)均值变化明显,2011年[a_CDOM/a_t](412)的均值最大(0.369),高于所有样点[a_CDOM/a_t](412)均值(0.295±0.139);201004期的[a_CDOM/a_t](412)在0.046~0.455之间变化,其均值最小(0.236±0.108);200410和200810两期数据[a_CDOM/a_t](412)均值相差不大.竺山湾、梅梁湾与整个太湖相比,竺山湾[a_CDOM/a_t](412)均值较高,对太湖[a_CDOM/a_t](412)的贡献较大,而梅梁湾[a_CDOM/a_t](412)均值与整个太湖相差较小.利用多元线性模型估算[a_CDOM/a_t](412)精度较高(n=333,RMSE=34.60%).悬浮泥沙和浮游色素是影响[a_CDOM/a_t](412)遥感估算精度的主要原因,浮游色素的吸收造成[a_CDOM/a_t](412)的值被低估,而悬浮泥沙的吸收使得[a_CDOM/a_t](412)的值被高估,并且悬浮泥沙是影响CDOM吸收的主要原因.     

蓝藻水华暴发和衰亡对太湖有色可溶性有机物的影响

利用平行因子分析(PARAFAC)技术对藻华暴发季节太湖梅梁湾和开敞区水样中有色可溶性有机物(CDOM)的三维荧光光谱进行分析,获得代表类酪氨酸、类色氨酸和类腐殖酸等3种荧光组分,这3个组分的荧光得分值均与叶绿素a浓度呈极显著正相关,其中类腐殖酸物质荧光得分值占总分值的比例也与叶绿素a浓度极显著正相关,由此可以推测,蓝藻水华可能是太湖CDOM的一个重要来源,并极大地影响了湖泊CDOM的组成结构.为进一步探索蓝藻水华对湖泊CDOM的影响,于太湖梅梁湾湖岸进行藻华暴发和衰亡模拟试验.PARAFAC结果显示,模拟试验水样CDOM的三维荧光图谱同样含有3个组分,其中类酪氨酸和类色氨酸荧光峰位置与湖泊水样基本相同,而类腐殖酸物质荧光峰则有一定程度的蓝移,表明培养试验中有新的内源类腐殖酸物质产生.利用PARAFAC模型中的得分值计算后发现,初始叶绿素a浓度越高,类腐殖酸物质所占比例越大,而实验结束时添加了高浓度和中等浓度藻的2个处理中类腐殖酸物质对荧光的贡献率也有显著提高.因此,藻华的长期暴发可以显著改变湖泊CDOM的组成,导致类腐殖酸物质比例提高.     

西湖生态系统健康评价初探

建立了基于多源卫星遥感影像的太湖蓝藻水华信息提取的普适模式,获取了天气晴好条件下蓝藻水华的面积和空间分布近年来,太湖蓝藻水华暴发时间逐渐提前至3-4月,暴发的高频繁期发生在6—7月,其次是10—11月;2000年以来,蓝藻水华的持续时间有所增加,几乎全年（3—12月）都有发生北部（梅梁湾、竺山湾）是蓝藻水华的最初暴发地,是蓝藻水华暴发的重灾区＋每年都有发生;2001年以来,南部沿岸区（浙江附近水域,即夹浦新塘一带的沿岸水体）也几乎每年都有发生,且集聚面积逐年扩大,持续时间越来越长,逐渐成为太湖蓝藻的最早暴发地;2003年以来,蓝藻水华开始向湖心扩散,严重时几乎覆盖整个太湖的非水生植被区：值得注意的是．2005年以来,以前很少有蓝藻水华发生的贡湖湾,也开始有大面积蓝藻水华覆盖,2007年发生的频率显著增加．     

太湖蓝藻水华的扩张与驱动因素

蓝藻水华表征指标及驱动因子的多样性增加了研究人员、湖泊管理部门对于蓝藻水华扩张驱动因素的困惑,本研究通过整合太湖蓝藻水华长尺度研究的成果,将蓝藻水华扩张区分为时间扩张、空间扩张和生物量扩张3个方面,分析各自的驱动因子,系统阐述了当下太湖蓝藻水华的扩张和驱动因素.太湖蓝藻水华的时间扩张呈现由夏季集中发生向春季和秋冬季节扩张的趋势,导致春季蓝藻水华发生的提前,以及年度峰值的推迟;空间扩张呈现由西北太湖向湖心和东部湖区、乃至全湖扩张的趋势;太湖蓝藻生物量自2003年以后一直呈现缓慢增加的趋势.蓝藻水华时间扩张的驱动因素相对独立,主要受气象因子的影响,风速和日照时间是主要驱动因子,风速降低和日照时间延长均有助于蓝藻水华时间的扩张;空间扩张和生物量扩张则受气象因子和富营养化的双重影响,其中影响水华空间扩张的因子较多,富营养化和气象因素的主次难以确定,一般偶发性大面积蓝藻水华受气象因子驱动,而频发性大面积蓝藻水华主要受营养盐空间分布影响;影响蓝藻生物量扩张的主要驱动因素为总磷,另外氮磷比、水下可利用光和风速的变化也在一定程度上驱动了太湖蓝藻生物量的扩张.目前表征蓝藻水华强度通常利用空间扩张或生物量扩张指标,但是均具有一定局限性,相互间也缺乏可比性,各指标用于长尺度趋势研究更为可靠,短尺度比较受方法缺陷影响较大,应进一步开发表征水华蓝藻总存量的指标以统一空间扩张和生物量扩张.     

太湖藻源性颗粒物分解过程中氨基酸的变化特征

在实验条件下研究了高浓度蓝藻堆积后水体中的藻源性颗粒物中氨基酸的分解速率、分解量和氨基酸态氮形态的变化情况.在自然光照组中,颗粒态氨基酸(PAA)的浓度从实验前的0.46 mmol/L降至实验后的0.30 mmol/L;而在无光分解组中PAA从0.44 mmol/L降至0.06 mmol/L.两种处理下PAA的降解速率常数分别为0.03916和0.17424 d~(-1).溶解态氨基酸(DAA)在分解过程中浓度比较低,随时间的变化表现出先增大后减小的趋势,在两种不同的处理下,最大值分别为10.94和7.94μmol/L,21 d后减小到与实验开始时持平,甚至低于初始值.实验初期,PAA所占比例高达74%~80%,但迅速被分解转化为DAA和铵态氮(NH_4~+-N),随着实验的进行NH_4~+-N又逐渐转化为硝态氮,其中无光分解组中的分解更为彻底,而自然光照组中PAA分解量小于无光分解组.实验结果表明,氨基酸作为水体中浮游植物的潜在氮源,可以被分解为水华过程中藻类所需的NH_4~+-N,对水华的维持具有一定的促进作用.     

Photochemical degradation of dissolved organic matter from streams in the western Lake Superior watershed

The input and fate of dissolved organic matter (DOM) can have important consequences for coastal zone productivity in large lakes and oceans. Chromophoric DOM (CDOM) is often delivered to coastal zones from rivers and streams and affects light penetration in a water column. CDOM can protect biota from damaging ultraviolet (UV) light by acting as sunscreen, resulting in increased ecosystem productivity. Alternatively, CDOM can decrease ecosystem productivity by absorbing light needed for photosynthesis and forming photoreaction products that are harmful to coastal zone biota. Increased urbanization of watersheds and seasonal differences in weather patterns change the delivery pathways, reactivity, input, and energy flow of DOM (and its CDOM component) into aquatic systems. This study investigated the effects of watershed and season on the concentrations and potential photodegradation of stream-derived DOM in Lake Superior tributaries, chosen to be geographically and geologically similar but differing in land use. Organic carbon analysis, UV–Visible spectrophotometry, and terrestrial (land use) analysis were used to investigate differences among samples and sample treatments. The major differences in DOM concentration and photochemical response appeared seasonal rather than site specific, with snow-melt samples showing stronger and more consistent changes in UV–Visible parameters while base-flow samples showed stronger and more consistent losses in DOC.     

太湖蓝藻水华遥感监测方法

利用遥感技术监测太湖蓝藻水华具有重要的现实意义.基于不同遥感数据,包括MODIS/Terra、CBERS-2 CCD、ETM和IRS.P6 LISS3,结合蓝藻水华光谱特征,采用单波段、波段差值、波段比值等方法,提取不同历史时期太湖蓝藻水华.结果表明:MODIS/Terra数据可以利用判别式Band2＞0.1和Band2/Band4＞1提取蓝藻水华;CBERS-2 CCD、ETM和IRS-P6 LISS3数据可以利用Band4大于一定阈值和Band4/Band3＞1提取蓝藻水华;波段比值(近红外,红光＞1)算法稳定,可以发展成为蓝藻水华遥感提取普适模式.同时,本文成功利用ETM和IRS.P6 LISS3数据Band4波段对蓝藻水华空间分布强度进行了五级划分.这为今后利用遥感技术,建立太湖蓝藻水华监测和预警系统莫定了基础.     

太湖冬季有色可溶性有机物吸收荧光特性及遥感算法

基于2006年和2007年1月两次太湖采样,对50个点位的有色可溶性有机物(CDOM)光谱吸收、荧光、溶解性有机碳(DOE)浓度及遥感反射率进行测定与分析,探讨冬季太湖CDOM的吸收荧光特性及空间分布,建立CDOM吸收系数的遥感反演算法.结果表明,太湖冬季CDOM在355nm处吸收系数a(355)变化范围和均值分别为1...