第五章天然水中的生物营养元素

生物固氮：天然水和沉积物中的一些藻类( 生物固氮：天然水和沉积物中的一些藻类(蓝、 绿藻) 绿藻)及细菌，它们具有特殊的酶系统，能把 一般生物不能利用的单质N 一般生物不能利用的单质N2，转变为生物能 够利用的化合物形态，这一过程称为固氮作 够利用的化合物形态，这一过程称为固氮作 用。在固氮作用进行时，固氮酶系统需要外 。在固氮作用进行时，固氮酶系统需要外 界供给Fe、Mg、Mo，有时还需B Ca、 界供给Fe、Mg、Mo，有时还需B、Ca、Co 等，水中这些微量元素的含量对固氮速率有 决定性的影响。 决定性的影响。
4．氨(铵)态氮(TNH4+—N) 天然水的氨(铵)态 ．氨( 态氮(TNH 天然水的氨( 氮是指在水中以NH 氮是指在水中以NH3和NH4+形态存在的氮的 含量之和，水化学分析测定的铵氮(或氨氮) 含量之和，水化学分析测定的铵氮(或氨氮)都 是两者之和，未加以区别。 NH3和NH4+在天 然水中存在如下平衡反应，可以互相转化：
由于NH 由于NH3和NH4+对水生生物的毒性有很大 的差异， NH4+基本没有毒， NH3的毒性很 大。在研究毒性时，需要将两者区别。为 了避免混淆，这时一般把两者之和称为总 氨或总氨氮，用符号TNH 氨或总氨氮，用符号TNH4+—N或TNH3— N表示；将NH4+(铵离子)称为离子氨，或离 表示；将NH 铵离子) 子氨态氮*，用符号NH --N 子氨态氮*，用符号NH4+ --N表示； NH3 (氨)称为非离子氨，或非离子氨态氮，用符 号NH3 --N或UIA表示。 --N UIA表示。
当生物由于缺乏某种元素影响其生长或不 能完成其生命循环时，补充适量的这种元素 非常必要。 当供给量超过需要量时，同一种元素又可 能有毒害作用: 能有毒害作用: 生物可能忍受低浓度的非必需元素，当浓 度超过一定界限，将对生 物起明显的毒害 作用。
二、藻类对营养盐的吸收 天然水中氮、磷、 硅元素的可溶性无机化合物在水生植物的生 长繁殖过程中被吸收利用，成为生物体的重 要组成元素。例如生物体的蛋白质中，N 要组成元素。例如生物体的蛋白质中，N和P 的含量约为16％和0.7％；脂肪中P的含量达2 的含量约为16％和0.7％；脂肪中P的含量达2 ％；硅元素是硅质生物(如硅藻等) ％；硅元素是硅质生物(如硅藻等)的重要组成 元素。但这些元素在天然水中的含量通常很 低，远远不如构成生物体的其他元素( 低，远远不如构成生物体的其他元素(如C、H、 O等)那样丰富。在浮游植物大量繁殖的季节， 它们有效形态的含量甚至降至吸收临界值之 下，从而影响藻类的生长繁殖，限制了水体 初级生产的速率和产量。因此，通常把天然 初级生产的速率和产量。因此，通常把天然 水中可溶性氮、磷、硅的无机化合物称为水 生植物营养盐，把组成这些营养盐的主要元 素氮、磷、硅称为营养元素
对于具体的吸收过程，如果符合米氏方程的关 系，Km，Vmax应为常数，变量“[S]／ 系，Km，Vmax应为常数，变量“[S]／V”与[S] 之间则具有线性关系( 之间则具有线性关系(图5—3)。直线的斜率等于 3)。直线的斜率等于 1／Vmax，在[S]=0时的截距等于Km／Vmax。 Vmax，在[S]=0时的截距等于Km／Vmax。 把直线外推到[S]／V=0，也可求得Km值。 把直线外推到[S]／V=0，也可求得Km值。 必须指出，只有处于正常营养条件下的藻 类细胞对营养盐的吸收遵从米氏方程，当细胞 长期生活在缺乏有效氮的水体中时，一旦获得 较高的[S]，则吸收极快，并可能在体内贮存过 较高的[S]，则吸收极快，并可能在体内贮存过 量的氮，吸收过程不遵从米氏方程。
二、天然水中氮的来源和转化
(一)天然水中氮的来源 1、大气降水下落过程从大气中的淋溶 2、地下径流从岩石土壤的溶解 3、水体中水生生物的代谢 4、水中生物的固氮作用，以及沉积物中氮的释放等 5、工业和生活污水的排放 6、农业的退水造成对环境的污染日益严重，污染成 了天然水化合态氮的重要来源。 7、对于水产养殖水体，施肥投饵及养殖生物的代谢 是水中氮的主要来源。
1．溶解游离态氮气 天然水中氮的最丰富 形态是溶解游离态氮气，主要来自空气溶 解。地表水中的游离氮的含量为近饱和值。 在天然水域中，游离态氮的行为基本上是 保守的。
2．硝酸态氮(NO3-—N) 在通气良好的天然水 ．硝酸态氮(NO 域， NO3-是含氮化合物的稳定形态，在各种无 机化合态氮中占优势。它是含氮物质氧化的最 终产物，但在缺氧水体中可受反硝化菌的作用 而被还原。 3．亚硝酸态氮NO2-——N) 天然水中NO2-通常 ．亚硝酸态氮NO ——N) 天然水中NO 比其他形态的无机氮的含量要低很多， NO2-—N是NH4+ — N和NO3- —N之间的一种中 间氧化状态，它可以作为NH 间氧化状态，它可以作为NH4+ — N的氧化和 NO3-—N的还原的一种过渡形态，而且在自然 条件下，这两种过程受微生物的作用而活化， 因此它是一种不稳物（藻类）营养盐 的营养元素是 哪些? 哪些? 2、天然水中主要微量营养元素是哪些? 、天然水中主要微量营养元素是哪些? 3、藻类对营养盐的吸收速率与水中营养盐 浓度的关系符合什么规律？ 4、水体中哪些元素为藻类生长限制性元素？ 为何称限制性元素？ 5、说明 Km的意义，如何计算Km 和Vmax 的意义，如何计算K
第一节 营养盐与藻类的关系
一、必需元素和非必需元素 按元素在生 按元素在生 物生理功能和需要，将组成生物体元素划分 物生理功能和需要，将组成生物体元素划分 为必需元素和非必需元素。某种元素被证明 至少是某种生物所必需的，则该元素称为必 需元素。必需元素是直接参与生物的营养、 其功能不能被别的元素替代、生物生命活动 不可缺少的元素。植物必需元素仅十几种， 需要量大的称常量必需元素(N、 需要量大的称常量必需元素(N、P、K、Ca、 Ca、 Mg、S、C、H、O)；需要量很少的则称微量 Mg、 O)；需要量很少的则称微量 必需元素(Fe、Mn、Cu、Zn、 必需元素(Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、Cl等)。 Mo、Cl等 环境中必需元素与非必需元素的含量(或浓度) 环境中必需元素与非必需元素的含量(或浓度) 同生物生长的关系有着不同的规律。
对于藻类从水中吸收营养盐的生物化学反应， [s]为水中营养盐的有效浓度， [s]为水中营养盐的有效浓度， V为吸收速率。 半饱和常数Km值，它反映酶对底物的亲和力， 半饱和常数Km值，它反映酶对底物的亲和力， Km值小，表明酶对底物的亲和力强，即当较 Km值小，表明酶对底物的亲和力强，即当较 低的[s]时，V就可达较高值；Km大，表明底 低的[s]时，V就可达较高值；Km大，表明底 物与酶结合不稳定，要达到较高吸收速率所需 的[s]较高。Km可用于比较不同浮游植物吸收 [s]较高。Km可用于比较不同浮游植物吸收 营养盐能力的大小。 营养盐能力的大小。
藻类对营养盐的吸收速率与水中营养盐浓 度的关系符合一般酶促反应动力学方程一 Miehaelis—Menten方程(以下简称米氏方程) Miehaelis—Menten方程(以下简称米氏方程)：
式中 V--酶促反应速度，即底物消失速度或 --酶促反应速度，即底物消失速度或 产物生成速度； [S]—限制性底物的浓度； [S]— Vmax—最大反应速度，即[S]足够大时的饱和 最大反应速度，即[S]足够大时的饱和 速度； Km—米氏常数，若[S]=Km时，V=1/2Vmax。 米氏常数，若[S]=K 时，V=1/2V 因此，米氏常数又称为半饱和常数。 米氏方程中各变量与各常数间的关系如图5 米氏方程中各变量与各常数间的关系如图5— 2所示。从图中可以看出，酶促反应速度随着 [S]的增大而增大，在[S]较低时尤为显著，但 [S]的增大而增大，在[S]较低时尤为显著，但 当[S]足够大时，反应速度趋于一极限值Vmax。 [S]足够大时，反应速度趋于一极限值V
第二节 天然水中的氮
一、天然水中氮元素的存在形态 氮的存在形态可粗略分为5 氮的存在形态可粗略分为5种： 溶解游离态氮气、氨(铵)态氮、硝酸态氮、 溶解游离态氮气、氨( 亚硝酸态氮及有机氮化物。有机氮化物包括尿 素、氨基酸、蛋白质、腐殖酸等及其分解产物， 这类物质的含量相对少，性质比较复杂，至今 还不十分清楚。
NH3—N和NH4+—N在总氨氮TNH4—N中 在总氨氮TNH 所占比例随水的pH而变。 所占比例随水的pH而变。 NH3不带电荷，有较强的脂溶性，易透过 细胞膜，对水生生物有很强的毒性。在海 细胞膜，对水生生物有很强的毒性。在海 水水质标准和渔业水质标准中都规定非离 水水质标准和渔业水质标准中都规定非离 子氨含量不得超过0.020rng/L。 子氨含量不得超过0.020rng/L。 非离子氨需要根据水温、pH和总氨氮 非离子氨需要根据水温、pH和总氨氮 TNH4—N含量进行计算。 在一定的温度和离子强度下，UIA(％ 在一定的温度和离子强度下，UIA(％)随着 水体pH的增高而明显增大。 水体pH的增高而明显增大。
在光强、水温及其他条件适宜而营养盐 含量较低时，Km值越小的浮游植物越容易 含量较低时，Km值越小的浮游植物越容易 发展成为优势种，Km值大的浮游植物则会 发展成为优势种，Km值大的浮游植物则会 因缺乏营养盐而生长受到限制。当营养盐过 于丰富时，浮游植物群落结构会发生明显变 化，可能导致某些有害浮游植物的迅速繁殖。 Km值以及Vmax值都是酶促反应重要参数， 值以及V 可据实验数据由图解法求得，常见的方法是 把米氏方程换成如下形式：
第五章 天然水中的生物营养元素
教学一般要求
掌握：常量必需元素、微量必需元素、营养元素的概 念。藻类对营养元素吸收速率与浓度的关系。Km的 念。藻类对营养元素吸收速率与浓度的关系。Km的 生物学意义及计算方法。水体中氮元素的存在形态及 转化，非离子氨的计算。水体中磷的存在形态、活性 磷及磷循环。硅、铁、铜、锌、钼、锰等微量元素的 存在形态及作用。 初步掌握：硝化作用、脱氮作用的原理及影响因素。 无机态氮与养殖生产的关系。 了解：天然水体中无机态氮的分布变化规律。天然水 体中磷酸盐的分布变化规律。正磷酸各高子的分布系 数随着pH的变化。微量元素在水中的含量范围。大 数随着pH的变化。微量元素在水中的含量范围。大 洋海水中铁的限制作用。