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生态修复对浅水湖泊沉积物磷形态特征及湖水磷浓度的影响

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应用与环境生物学报 2016年第2期22卷 320-325页

作者：莫家勇钟萍刘正文暨南大学生态学系与水生生物研究中心广州510632 中国科学院南京地理与湖泊研究所南京210008

以恢复沉水植物为主要手段在浅水富营养化湖泊修复中得到广泛应用,但修复后水质差异很大,可能与沉积物特征有关.暨南大学南湖是浅水富营养化湖泊,在削减外源负荷后,实施了沉水植物恢复等修复工程.本研究选择具有不同水质的区域,采集水... 详细信息

以恢复沉水植物为主要手段在浅水富营养化湖泊修复中得到广泛应用,但修复后水质差异很大,可能与沉积物特征有关.暨南大学南湖是浅水富营养化湖泊,在削减外源负荷后,实施了沉水植物恢复等修复工程.本研究选择具有不同水质的区域,采集水样与沉积物,分析沉积物NH4Cl-P(弱结合态磷)、Fe-P(铁结合态磷)、Al-P(铝结合态磷)、Bio-P(细菌可利用性磷)、Ca-P(钙结合态磷)和Ref-P(残渣磷)6种形态的磷,并检测水质差异,以探讨生态修复对沉积物磷形态及水体磷浓度的影响.结果显示,沉水植物较丰富的2号点沉积物密度显著高于沉水植物较少的1号点,2号点沉积物中Fe-P、Al-P和Ref-P含量较高,沉积物磷最大释放潜力(P-MSP)为4.87 mg/L,大幅高于1号点的2.58mg/L,然而2号点水体磷浓度却低于1号点,1号点水体的总磷、颗粒态磷、总溶解性磷和溶解活性磷浓度分别为2号点的1.29倍、1.11倍、1.17倍和1.14倍,水质较2号点差.本研究说明沉水植物能抑制沉积物中磷的释放,提高沉积物对磷的滞留能力,从而降低水体磷含量,改善水质.

关键词：浅水湖泊生态修复沉水植物沉积物磷形态磷浓度改善水质

镧改性膨润土对富营养化浅水湖泊上覆水磷浓度及沉积物磷形态特征的影响

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镧改性膨润土对富营养化浅水湖泊上覆水磷浓度及沉积物磷形态特征...

作者：甘磊暨南大学

学位级别：硕士

镧改性膨润土被广泛地应用于控制水体沉积物中磷的释放和去除上覆水中的磷。本论文对暨南大学南湖和湖北洋澜湖应用镧改性膨润土修复进行了研究,以探讨镧改性膨润土对水体磷浓度及沉积物中磷形态特征的影响。暨南大学南湖以镧改性膨润... 详细信息

镧改性膨润土被广泛地应用于控制水体沉积物中磷的释放和去除上覆水中的磷。本论文对暨南大学南湖和湖北洋澜湖应用镧改性膨润土修复进行了研究,以探讨镧改性膨润土对水体磷浓度及沉积物中磷形态特征的影响。暨南大学南湖以镧改性膨润土的质量与沉积物表层5 cm中活性磷和上覆水体TP之和的质量比为100:1的剂量投加了镧改性膨润土,约合590 g/m。洋澜湖以500 g/m的剂量投加了镧改性膨润土,并同时以50 g/m的剂量辅助投加了聚合氯化铝(PAC)。本研究监测了暨南大学南湖和洋澜湖修复前后(时间间隔约2个月)的沉积物磷形态特征并检测修复期间的水体磷浓度、悬浮物等水质指标,此外,还分析了洋澜湖应用镧改性膨润土修复前后沉积物金属含量。暨南大学南湖研究结果显示,加镧改性膨润土后上覆水磷浓度波动较大,总体呈下降趋势;至60 d时,水体总磷(TP)、颗粒态磷(PP)、溶解性总磷(TDP)和溶解活性磷(SRP)分别下降了45.21%、43.91%、47.79%和84.55%。镧改性膨润土添加后沉积物中的弱结合态磷(NHCl-P)和氧化还原敏感性磷(BD-P)含量减少,而更稳定的磷灰石结合态磷(HCl-P)和残渣磷(Ref-P)含量上升,而金属氧化物磷(Na OH-RP)和有机磷(Org-P)变化较小。本研究表明镧改性膨润土能降低水体磷含量,改善水质,同时镧改性膨润土能改变沉积物磷形态,使活性磷转化为稳定的磷形态,抑制沉积物磷的释放。洋澜湖研究结果显示,镧改性膨润土和PAC联用能使上覆水悬浮物含量、叶绿素a含量和磷含量快速下降,透明度快速提高,对水质具有明显的改善作用。至实验结束时(10月24日),TP、PP和SRP分别下降了89.53%,71.40%,93.41%。修复区沉积物La含量在沉积物表层0-10 cm范围内显著增加。镧改性膨润土和PAC添加后沉积物中NHCl-P、BD-P和Org-P含量下降,而稳定的HCl-P和Ref-P含量增加,因此沉积物对磷的滞留能力上升了,沉积物磷的释放风险下降了。

关键词：镧改性膨润土富营养化浅水湖泊上覆水磷浓度沉积物磷形态镧

沉水植物对九里湖沉积物磷再释悬浮的抑制作用

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沉水植物对九里湖沉积物磷再释悬浮的抑制作用

作者：景湘丞中国矿业大学

学位级别：硕士

采煤塌陷湿地具有形成时间短、沉积物组成氮磷含量高等特征,往往伴随着内源磷污染释放、富营养化程度加剧等环境问题。利用沉水植物抑制沉积物磷释放、治理水体富营养化成本低、效率高,应用前景广阔。本文以徐州市九里湖采煤塌陷湿地为... 详细信息

采煤塌陷湿地具有形成时间短、沉积物组成氮磷含量高等特征,往往伴随着内源磷污染释放、富营养化程度加剧等环境问题。利用沉水植物抑制沉积物磷释放、治理水体富营养化成本低、效率高,应用前景广阔。本文以徐州市九里湖采煤塌陷湿地为研究对象,首先开展水质与沉积物磷含量监测,进行富营养化评价及沉积物磷污染状况评价,其次选择狐尾藻、苦草、轮叶黑藻三种沉水植物进行沉积物磷再释悬浮抑制效果实验,通过比较总磷抑制效果选出狐尾藻作为先锋种,最后开展狐尾藻抑制沉积物磷释放环境因子分析实验,利用响应曲面法对狐尾藻抑制沉积物磷释放相关性较高的因子影响效果进行排序,并确定最佳实验条件。本论文主要研究成果如下:(1)水质及沉积物磷污染状况调查表明,九里湖水体整体呈现轻度富营养化状态,磷是九里湖水体藻类生长和富营养化的最主要限制性因子,沉积物磷污染达到重度水平,磷的内源释放成为九里湖水体污染的重要来源。(2)三种沉水植物对上覆水颗粒态磷(PP)、溶解性正磷酸盐(SRP)、总氮(TN)、氨氮(NH-N)都有良好的修复效果,均能显著提高溶解氧含量和p H值;对沉积物总磷均有良好的去除表现,铁铝结合磷(Na OH-P)去除贡献率高于钙结合态磷(HCI-P),无机磷(IP)高于有机磷(OP),铁铝结合磷(Na OH-P)植物利用程度高于其他磷赋存形态。狐尾藻、苦草、轮叶黑藻均可有效吸收上覆水中的磷,促进上覆水颗粒态磷(PP)的沉降,从而抑制沉积物磷再释悬浮,减少内源磷负荷,达到修复九里湖富营养化水体及沉积物污染的效果。三种沉水植物抑制磷释放效果排序为狐尾藻>苦草>轮叶黑藻。狐尾藻对总磷的抑制表现突出,可以作为治理九里湖内源污染及富营养化的先锋种。(3)单因素实验结果表明,流速在3-6cm/s狐尾藻对沉积物磷释放的抑制作用最好,流速超过9cm/s时不仅不利于植物生长,也会使狐尾藻的抑制作用降低;种植密度在200株/m时抑制效果最优,抑制效果并非随着沉水植物种植密度线性增长,达到一定限度后继续增加种植密度会因竞争光照和营养使其抑制效果下降;水深在50cm时抑制效果最佳,过低的水深会对沉水植物生长产生胁迫,从而降低抑制效果。响应面实验结果表明,三个影响因素对总磷去除率的显著关系为流速>种植密度>水深,响应面优化后的最佳实验条件范围为流速4.5±1cm/s,种植密度240±20株/m,水深45±10cm,在此条件下验证实验得到的总磷去除率为70.11%,与预测值72.19%接近,说明模型预测结果较好。研究成果对九里湖沉水植物生态修复工程具有现实指导价值。

关键词：九里湖采煤塌陷湿地沉水植物沉积物再悬浮沉积物磷形态

火山灰负载镧锁磷剂的制备及对九里湖底泥磷释放的抑制作用

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火山灰负载镧锁磷剂的制备及对九里湖底泥磷释放的抑制作用

作者：田黎明中国矿业大学

学位级别：硕士

湖泊富营养化是全球性水环境问题,湖泊生态修复是一项系统性工程,需要从控制、切断外源污染与清除内源污染两方面入手。在做好湖泊周围点源、面源和地表径流污染防治基础上,重点做好湖泊底泥疏浚、控制内源性污染等工作。20世纪90年代,... 详细信息

湖泊富营养化是全球性水环境问题,湖泊生态修复是一项系统性工程,需要从控制、切断外源污染与清除内源污染两方面入手。在做好湖泊周围点源、面源和地表径流污染防治基础上,重点做好湖泊底泥疏浚、控制内源性污染等工作。20世纪90年代,澳大利亚联邦与工业研究组织(CSIRO)开发出Phoslock锁磷剂,该锁磷剂能够有效去除水体中正磷酸盐,当其沉淀到沉积物界面还可以钝化水土界面的磷,控制内源磷的释放。本文以九里湖塌陷湿地为研究对象,首先,对天然火山灰进行酸化处理,采用Na OH共沉淀法制备得到负载镧元素的Na OH-La改性火山灰锁磷剂;其次,开展室内新型锁磷剂的吸附实验;最后,采集九里湖塌陷湿地的原水和底泥样品,室内模拟新型锁磷剂对九里湖底泥磷释放的抑制作用和机理。本文取得成果如下:(1)火山灰经过酸化处理,采用Na OH共沉淀法制备得到负载镧元素的Na OH-La改性火山灰锁磷剂。扫描电镜SEM分析结果表明:酸化处理能够提高火山灰表面的粗糙程度和孔隙数量,增大其比表面积,从而提供更多的吸附点位;能谱分析EDS结果表明:镧元素成功负载于改性火山灰表面,且分布较均匀。(2)Na OH-La改性火山灰锁磷剂对磷吸附试验结果表明:p H过高或过低,吸附容量较低,p H=7.0±0.5时,吸附容量最高;溶液离子强度越大,Na OH-La改性火山灰锁磷剂吸附容量越少,吸附平衡时间越短。(3)Na OH-La改性火山灰锁磷剂对九里湖底泥磷抑制试验结果表明:投加理论剂量的锁磷剂25d后,上覆水体中总磷(TP)、溶解性正磷酸盐(SRP)去除率分别为68.75%～74.99%和99.11%～99.56%,底泥中磷释放量为-5.9643±0.3451mg/m。结果表明该锁磷剂能够有效吸附上覆水体中的磷,其下沉到底泥表面后,形成的覆盖层能够抑制底泥磷的释放,促进水体中磷向覆盖层转移。(4)采用SMT法对底泥的磷形态进行分级提取,投加锁磷剂前,底泥中磷主要以无机磷(IP)形式存在;投加锁磷剂后,底泥中的铁/铝结合磷(NAIP)含量明显降低,钙结合磷(CHLP)含量增加,说明投加锁磷剂后底泥沉积物中易释放的NAIP转化为难溶于水且不易释放的CHLP。研究成果对于九里湖底泥磷污染控制具有指导价值。

关键词：氯化镧锁磷剂底泥磷释放富营养化沉积物磷形态

改性粘土矿物对沉积物磷的原位钝化/掩蔽技术研究

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改性粘土矿物对沉积物磷的原位钝化/掩蔽技术研究

作者：李洁天津大学

学位级别：硕士

富营养化是淡水水体和近海水域的主要污染之一。磷是富营养化的主要限制因子,在外源磷已得到有效控制的前提下,研究重点需转向沉积物磷的治理修复。镧改性膨润土是目前相对较新的一种磷钝化/掩蔽剂,其活性成分镧化物可有效吸附磷,将磷... 详细信息

富营养化是淡水水体和近海水域的主要污染之一。磷是富营养化的主要限制因子,在外源磷已得到有效控制的前提下,研究重点需转向沉积物磷的治理修复。镧改性膨润土是目前相对较新的一种磷钝化/掩蔽剂,其活性成分镧化物可有效吸附磷,将磷固定在膨润土表面或孔隙中,最后自然沉降至沉积物表层,形成有效覆盖层。由于其经济、高效、微毒性、治理周期短等优点,已在澳大利亚、英国、荷兰、中国、墨西哥以及南非等地的工程实践中取得良好效果,引起国内外的广泛研究。本文即在总结国内外研究现状的基础上,创新性地研究了淡水水体中丰度较高的HCO3-,海域中浓度较大的Cl-以及三种水体常见低分子有机酸(甲酸、乙酸、乳酸)的存在对镧改性膨润土吸附磷的效果影响。在此之前,通过研究不同pH条件下镧改性膨润土对磷单位吸附量的变化,分析其吸附磷的主要作用机制。本实验主要包括三个部分:镧改性膨润土的制备表征以及基本性能的测试;动态摇床实验研究不同浓度的实验因子对镧改性膨润土吸附磷的影响及其沉积物磷形态分析;静态模拟实验研究具体水体中实验因子最恶劣的情况对镧改性膨润土吸附磷的影响及其沉积物磷形态分析。其中镧改性膨润土的制备采用提纯、酸泡、镧离子浸泡以及微波加热等工艺,成品XRD图谱显示出经改性后的膨润土晶胞间距增大,镧化物成功嵌入膨润土表面以及孔隙中,并且计算所得镧含量约占5%。镧改性膨润土的等温吸附曲线和吸附动力学曲线结果说明,吸附主要为单分子层吸附,且吸附速率很高,可实现即时除磷。动态摇床实验结果表明,镧改性膨润土吸附磷的作用机制主要是静电吸附、离子交换和路易斯酸理论,OH-、HCO3-和Cl-主要通过竞争膨润土表面的活性镧结合位点而抑制磷吸附过程,并且抑制作用随其浓度的增加而加大,这点从吸附前后底泥磷形态变化也可得到证实。低分子有机酸主要是通过酸解作用和金属络合作用抑制磷吸附过程,但是由于实际水体中低分子有机酸的含量不稳定,对于吸附过程的影响不是长期的。综上可知,对于镧改性膨润土实际工程使用需结合具体的水质条件,确定其投药量或者选用其他方式复合治理富营养化水体。

关键词：富营养化镧改性膨润土吸附沉积物磷形态

湖泊磷酸酶与微生物活性对内源磷负荷的贡献及其与富营养化的关系

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中国科学：地球科学 2005年第S2期39卷 90-100页

作者：宋春雷曹秀云李建秋李清曼陈国元周易勇中国科学院水生生物研究所

磷酸酶可通过增加磷的生物可利用性促进富营养化过程,在太湖、龙阳湖与莲花湖探讨了这种机制。磷酸酶活性与磷营养水平以及叶绿素a浓度相关。反胶团酶学方法的实验结果表明,溶解态磷酸酶稳定性的不同可能源于酶分子大小、结构与活性基... 详细信息

磷酸酶可通过增加磷的生物可利用性促进富营养化过程,在太湖、龙阳湖与莲花湖探讨了这种机制。磷酸酶活性与磷营养水平以及叶绿素a浓度相关。反胶团酶学方法的实验结果表明,溶解态磷酸酶稳定性的不同可能源于酶分子大小、结构与活性基团的差异。太湖微囊藻水华发生处间隙水溶解态磷酸酶在胶团中的活性高且稳定,溶解反应性磷浓度较低,沉积物不同形态磷的含量与好气性细菌数量均低,且呼吸强度明显较高,无机磷与有机磷细菌以及其它微生物均在表层富集,却极少见诸于沉积物。因此,来自酶促水解或其它途径的大量内源磷可能在厌氧状态下经上覆水随细菌向水柱扩散,从而促发水华。因此,理化与生物因素的共同作用将驱动湖泊内源磷的释放并促进富营养化过程。

关键词：溶解态磷酸酶内源负荷沉积物磷形态微生物富营养化微囊藻水华

松华坝重要入库河道沉积物磷素吸附特征及四环素对其影响的研究

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松华坝重要入库河道沉积物磷素吸附特征及四环素对其影响的研究

作者：傅子豪云南大学

学位级别：硕士

松华坝是云南省昆明市重要的饮用水源地,其入库河流中磷素的含量可能影响库区的水质,沉积物作为水体的磷的“源”和“汇”,对磷素的吸附作用及其磷素赋存形态特征会影响水体中磷素的含量。另一方面,松华坝入库河流流域内城镇和农田分布... 详细信息

松华坝是云南省昆明市重要的饮用水源地,其入库河流中磷素的含量可能影响库区的水质,沉积物作为水体的磷的“源”和“汇”,对磷素的吸附作用及其磷素赋存形态特征会影响水体中磷素的含量。另一方面,松华坝入库河流流域内城镇和农田分布密集,来源于人口活动的四环素进入沉积物后是否会影响磷素在水-沉积物界面的吸附过程和沉积物中磷的赋存形态仍有待研究。因此,本研究以松华坝水库上游两条主要入库河道(冷水河、牧羊河)沉积物为研究对象,通过野外调查对松华坝入库河道沉积物的磷素吸附特征及其赋存形态开展研究,同时通过室内培养实验探究不同浓度的四环素对典型沉积物磷素吸附特征、磷赋存形态及溶/聚磷微生物的影响。主要结论如下:⑴冷水河和牧羊河中的沉积物对磷素的吸附动力学符合准二级动力学模型,两条河道沉积物吸附磷素以化学吸附为主。两条河流上游沉积物对磷的吸附方式以单层吸附为主,但随着下游人类活动干扰的增加,吸附形式逐渐变为不规则复杂表面的深层吸附。修正Langmuir模型和Freundlich模型都可以描述沉积物对正磷酸盐的吸附等温吸附过程。结果显示,冷水河中沉积物对磷素的最大吸附量(832.43±272.22 mg/kg)高于牧羊河(707.97±300.01 mg/kg),两条河道沉积物的EPC值均高于河道水体中正磷酸盐浓度,说明沉积物倾向于向接触的水体中释放正磷酸盐,是“磷源”。⑵基于SEDEX法分析沉积物的磷赋存形态可知,冷水河沉积物各磷赋存形态含量由多到少为:可提取有机态磷(Org-P)>碎屑态磷(Detr-P)>自生态磷(Auth-P)>铁结合态磷(Fe-P)>难分解有机态磷(Res-P)>铝结合态磷(Al-P)>弱交换态磷(Ex-P);牧羊河沉积物各磷赋存形态含量由多到少为:Org-P>Detr-P>Auth-P>Res-P>Fe-P>Al-P>Ex-P。磷赋存形态与磷吸附特征模型指标之间的线性回归分析显示Fe/Al-P、Auth-P、Detr-P和Res-P与磷吸附平衡量和吸附速率呈显著正相关(p磷吸附平衡量及吸附分配常数成显著负相关(p磷低有机质)和污染点(高磷高有机质)的典型沉积物中添加四环素使浓度分别为0、0.01、0.1、1、10 mg/kg后在室内恒温培养30天,结果显示磷的吸附特征和形态都受到了四环素添加的影响。且污染点沉积物的磷平衡吸附量和磷的最大吸附量显著(p沉积物对正磷酸盐的吸附速率减小,污染点沉积物对正磷酸盐的吸附速率增大;沉积物的EPC值总体降低,且污染点降低的幅度高于参考点。参考点沉积物Ex-P的含量降低,Al-P的含量升高。⑷四环素添加对沉积物中微生物群落结构和聚磷、溶磷功能菌的影响在参考点沉积物和污染点沉积物之间差异很大。在微生物群落结构方面,参考点沉积物中OTUs、Chao和Shannon微生物群落多样性指数则随四环素浓度升高逐渐降低,但在污染点沉积物中不随四环素浓度升高出现显著变化。沉积物中酸杆菌门(Acidobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)门的相对丰度在1 mg/kg和10 mg/kg的四环素处理下显著(p物在四环素处理后在沉积物中的百分比丰度增加。在微生物功能方面,参考点细胞内寄生物、叶绿体功能和硫酸盐呼吸相关的功能菌的相对丰度在10 mg/kg四环素处理下显著(p磷、溶磷功能基因的丰度方面,四环素对有机质含量较低的参考点沉积物影响较大。在参考点沉积物中,碱性磷酸酶编码基因pho D和多聚磷酸酶编码基因PPK的表达量随四环素浓度升高呈降低趋势,在10 mg/kg四环素的处理中出现显著(p磷素在水体和沉积物中浓度的监测和管理提供辅助,并为预测抗生素四环素输入对磷素的吸附特征和赋存形态的影响评价提供基础数据支持。

关键词：沉积物四环素沉积物磷吸附特征沉积物磷形态松华坝水库