第五章营养元素

２. 亚硝酸态氮

一种不稳定的化合物，在水中易转化。溶氧低时 可转化为N2和N2O,溶氧高可转化为NO3 清洁水中含量很低，地表水＜0.01mg/L 对鱼的毒性：温水鱼＜5mg/L，无害 鲑鳟鱼＜0.06mg/L，无害 对人的毒性：使血液的载氧能力降低 是致癌物 亚硝酸氮在天然水中的浓度是非常低的，它主要 是硝化反硝化过程及植物体内被摄取的硝酸在硝 化酶的作用下转化为氨及氨基酸过程的中间产物。
（4） 其 他 因 素
（续）
●非离子氨——NH3-N>0.1mg/L，可 抑制硝化作用 ●重金属——对反应的抑制程度不一 Cu2+ ＞ Cd2+ ＞ Zn2+ ●Cu2+最强烈， Cd2+次之 ＊0.1mg/L就已产生明显抑制 （NO2--N的生产量为对照组的一半 左右） ＊Cu2+为1.0mg/L时，硝化作用 几乎完全停止 ● Zn2+的抑制效果最弱，当浓度 达到0.5mg/L时抑制才较为明显。
3.硝酸态氮——是含氮化合物的稳定形态， 是氮氧化的产物。易被植物吸收，对生 物基本无毒。 4. 总铵态氮——是NH3和NH4+的总和。二 者在水中可以相互转化。 5.有机氮——包括蛋白质、氨基酸、尿素、 胺类、硝基化合物等。
二．天然水中氮来源
①鱼池施肥 ②生活污水和工业废水的注入。 ③水生生物和鱼类的代谢产物。 池塘中氮主要来源于肥料和饲料。进入水体 中的氮一般以氨的形式存在。这些氮来源于鱼 鳃排泄物和细菌的分解作用。饲料中的氮有6070％被排泄到水体中，因此水产养殖生产中总 氮浓度与投饲率及饲料蛋白含量有直接关系， 在精养池中经常会出现对鱼类有害的“富氮”。
三、影响天然水体初级产量与生产 速率的限制因素
1.水中营养元素有效形态的实际浓度[S]太低 2. 各种营养元素有效形态的浓度比例不适合 浮游植物的需要 3.水中营养盐的总储存量或补给量不足 4.向藻类细胞表面迁移补给有效营养盐的速率 不足
§5-2 氮对水体水产的NO2--N） 3．硝酸态氮（NO3--N） 4．总铵（氨）态氮（TNH4+-N） 5. 有机态氮
氮存在形态
１. 游离态氮——溶解N2具有相对较强的 化学惰性，在水中的溶解度也很低，但 大气中占78%，水中的含量较高，在海 洋中可达20mg/L，而其它可溶性氮化 合物仅为0.7mg/L。多数藻类不能利用， 只有少数固氮藻类可以利用。 N2过饱和很容易引起气泡病。一般 N2 %≥115就可产生气泡病症状。
NO2-致死作用 对鱼类因水的化学性质和鱼类品种 不同而差异很大。斑点叉尾鮰和虹 鳟96小时半致死浓度（LC50）分别 为l2.8mg/L～13.1mg/L和0.20mg/L～ 0.40mg/L。加入钙离子或氯离子， 可以使鲑科鱼类对亚硝态氮的忍耐 力增加30～60倍、这是由于它们能 使亚硝态氮完全通过鳃而降低毒性。
O : C : N : P = 276 : 106 : 16 : 1(摩尔比) = 142 : 41 : 7.2 : 1（质量比）
吸收的
植物光合作用时，每吸收1mgP同时吸收 7.2mgN和41mgC，并释放142mgO2。 或者说，光合作用每吸收76mlCO2，便释 放99mlO2。浮游生物死亡后被完全分解 时，每消耗99mlO2，释放76mlCO2
(3)温度
在5-30℃范围内
温度升高，硝化作用加快
<5℃
或>40℃ 硝化作用受到抑制
●温度的影响
*温度分别为20℃,25℃,30℃时氨氮去除率与亚硝 化累积速率 温度对硝化作用影响明显，温度 降低氨的去除率迅速降低
（4） 其 他 因 素
●光照——可以抑制硝化作用的 第二个阶段
不同强度光照对硝化作用的影响
2.非离子氨
总氨氮包括非离子氨氮与铵态氮。非离子氨不 带电荷，具有较强的脂溶性，易透过细胞膜，对 水生生物具有较强的毒性。 非离子氨对水产动物的毒害：
NH3-N 含量（mg/L） 毒 性
0.01-0.02 0.02-0.05 0.05-0.2 0.2-0.5
慢性中毒，抑制其生长 加速其死亡 皮肤、胃、肠道粘膜出血 急性中毒死亡
二、藻类吸收营养元素的特点
1，选择性——吸收有效形式
N : NH4+ > NO3- > NO2P : H2PO4- HPO42一般不吸收磷脂类有机态磷
2，比例性——按比例吸收营养元素
*光合作用和呼吸作用平均计量关系式 106CO2+16NO3- + HPO42+ 122H2O + 18H++ 微量元素 释放的 (CH2O)106(NH3)16H3PO4 +138O2
5，反硝化（脱氮）作用
（1）反硝化作用的概念：在缺氧条件下， 在反硝化细菌的作用下，NO3-转化为NO2-， 最终转化为N2和N2O的过程。
（2）影响反硝化作用的因素
●NO3-、NO2-的含量 脱氮反应速率随着含量的增大而增加 ●pH 最适范围pH7-8， pH<5脱氮作用停止 ●溶解氧 < （ 0.15 -0.5 ） mg/L ，脱氮才顺利 进行
●有机物等 —— 需接受电子的基质，环境 工程上使用甲醇作为接受电子的基质 ●重金属 —— 对人工湿地反硝化作用影响 的实验证实， Cu2+、Cd2+、Zn2+三种离 子对反硝化作用都存在抑制 抑制程度 Cd2+ 〉Zn2+ 〉Cu2+
四、氮的有毒形式 1.亚硝酸盐 毒性机理：影响氧气的运输、重要化合 物的氧化以及损坏器官组织。血液中NO2的增加能将血红蛋白中的Fe2+氧化为Fe3+。 血红蛋白失去运输氧能力。NO2-还可引起 小血管平滑肌松驰而导致血液淤积。此外 还可氧化其他重要化合物。用虹鳟实验发 现死亡的原因不单是由于Fe3+血红蛋白含 量的提高，可能还有NO2-的其他毒性反应。 把虹鳟置于含0.060mg/L NO2-的环境中3周， 可见到鳃瓣轻度肥大、增生和脱落。
固氮作用
这是氮循环的一个主要过程，即水 中气态氮通过特定的细菌、蓝绿藻 转化为有机氮，这是水中氮的重要 来源之一。相对沉积物来讲水体中 的固氮作用较小，氨的存在会降低 固氮作用速率，此外硝酸和氧也对 固氮作用有影响。
氮元素的再生

无机氮被浮游植物吸收转化成有机氮， 并通过浮游动物的摄食，各级浮游动物 之间及鱼类等的捕食继续在食物链中传 递。在这个过程中有相当一部分氮由于 溶出、死亡、代谢排出等离开食物链重 新回到水体中，这就是营养盐的再生过 程。
浮游植物胞外溶出

——在河口和沿岸区域，大约30%的净初级 生产力被浮游植物溶出，而约20%的被浮游 动物捕食。可见，由浮游植物胞外溶出产生 的有机物是不可忽视的。尽管有研究表明浮 游植物细胞倾向于贮存氮，在缺氧和存在细 菌时，胞外溶出氮就会增加，分别占到细胞 内氮的10%～20%和3%～12%。溶出产物主 要包括蛋白质、氨氮以及少量的亚硝酸盐和 氨基酸。
三、氮的循环

1.氮气的溶解作用 天然水中氮的最丰富形式是溶解游离态氮 气，主要来自空气的溶解，地表水中游离氮 的含量接近饱和值，脱氮作用和固氮作用对 其影响不大，在天然水域中，游离态氮的行 为基本上是保守的。 大气中氮在水中的溶解遵守亨利定律和道 尔顿定律。
2.植物对氮的吸收
◆NO3-、NO2-、NH3及NH4+是一切藻类都能直接 吸收利用的氮源。 通常认为，植物会首先吸收NH4+，当海水中 NH4+几乎被耗尽时才会大量吸收NO3◆溶解有机氮也是一些微藻和细菌主要的可 利用营养盐之一。近年来的一些研究表明， 浮游植物也会直接利用一部分溶解有机氮 化合物(DON)，但是吸收量甚少。
中毒症状
鱼虾在发生高浓度氨急性中毒时，会表现出 严重不安。同时由于在此浓度下，通常伴随着较 高的pH，水具有相对较强的剌激性，导致鱼虾 体表粘液增多，体表充血，鳃部及鳍条基部出血 明显，鱼多在水域表面游动，死亡前眼球突出， 张口挣扎。 为了防止养殖水域中的非离子氨过高，除 了要定期检测水中氨的指标外，还要及时清 理排除养殖水域底层的污垢及水产养殖动物 排泄的粪便等。

限制法则——
植物对营养元素的吸收是按比例进行的， 各种营养盐之间相互限制。如果某一营 养盐极为缺乏，即使其它元素大量存在， 也不被吸收利用，即水中含量最少的一 种营养盐起着限制作用。 限制作用一般出现在浮游植物大量繁殖 后，营养元素浓度降低到不能继续维持 其生长，浮游植物便停止繁殖。

奢侈吸收（饥饿吸收）
3.硝态氮的毒性
在水循环系统中，氨态氮的硝化产生硝态氮 的积累。硝态氮对鱼类毒性最小，但高浓度的 硝酸盐也影响渗透作用和氧的运输。高浓度的 硝态氮也会将二价血红蛋白氧化为三价血红蛋 白。水生动物96小时半致死浓度为1000～ 3000mg/L。在淡水鱼试验中、把硝酸钠和氯化 钠二者的半致死浓度进行比较，发现硝态氮的 毒性主要是由于鱼类不能在高盐环境中维持正 常的渗透压所致。
——藻类处于缺乏营养元素的环境下,一旦接触 含量高的有效形式的营养元素,其吸收利用速 度极快,并能过量的吸收营养元素存储于细胞 中。 例如 P 元素被大量吸收后储存于细胞内. O O O ∥ ∥ ∥ —O—P— O—P——O—P—O— ∣ ∣ ∣ OOO-
[
]
3，吸收速率
（1）被动吸收——靠扩散,吸收速率决定 于扩散速度，与浓度梯度有关。 （2）主动吸收——细胞利用呼吸做功可以 逆着浓度差吸收营养物质的过程，符合 酶促反应动力学规律。
4.米门氏方程——
酶促反应速度与浓度的关系
酶促反应速度 (吸收速率)
最大反应速度
d [S] Vmax[S] V dt K m [S]
若[S]=Km时，V=1/2Vmax 米氏常数
限制性底物 浓度
图
酶促反应速度与浓度的关系
* 实 例
某 些 硅 藻 对 NH4+ 吸 收 速 率 与 浓 度 的 关 系
●必需元素的生理功能为：构成植物体内有 机结构的组成成分，参与酶促反应或能量 代谢及生理调节。如纤维素、单糖和多糖 中含有碳、氢、氧；蛋白质中含有碳、氢、 氧、氮、磷、硫；某些酶中含有铁或锌； Mg2+和K+是两种不同的酶的活化剂；K+和 Cl-对渗透调节具有重要作用等。
●非必需元素
——植物正常生长发育不需要的元素 无害元素——虽然植物正常生长发育不需要， 但是少量摄入后不会产生严重病理现象，如 铋元素等 有害元素——不仅植物正常生长发育不需要， 而且摄入微量，就会出现病态或中毒症状， 又称有毒元素。如汞、镉、铅等
浮游动物及鱼类的溶出和排泄 氨氮是浮游动物溶出产物的主要形式， 当然还包括脲、氨基酸、蛋白质等。 不同种类的浮游动物溶出速率并不相 同，桡足类溶出速率还与动物干重有 显著的相关性，个体较小的动物的溶 出速率比个体较大的快。
3.氨化作用
氨化作用是指含氮有机物在微生物的作用下释 放出氨的过程。这个过程在有O2和无O2的环境中 都能进行
第五章天然水中的生物营养元素
§5-1 概述 §5-2 氮对水体水产的影响 §5-3 磷对水体水产的影响 §5-4 其他营养元素 §5-5 水体的富营养化
§ 5-1 概述
一、营养元素的定义：植物正常生长发育 过程中不可缺少的元素。 *必须元素和非必须元素： ●常量必需元素：N、P、K、Ca、Mg、S、 C、 H 、 O ●微量必需元素：Fe、Mn、Cu、Zn、B、 Mo、Cl等
有机物
需氧生物
NH+4+CO2+SO42-+H2O
含氮有机物 厌氧生物 NH+4+CO2+SO42-+胺类+有机酸类 速度受pH影响，中性弱碱性环境的效率较高．
4，硝化作用
在氧气丰富的条件下，在硝化细菌的作用下， 氨态氮转化为亚硝态氮，进一步转化为硝态氮 的过程。 ●硝化分两个阶段进行： A, 2NH4+ + 3O2 → 4H+ + 2NO2- + 2H2O + 能 量 B, 2NO2- + O2 → 2NO3- + 能量 ●综合计量关系式：(H+与HCO3-结合) NH4+ + 1.83O2 + 1.99HCO3- → 0.021C5H7NO2 + 1.041H2O + 1.88H CO + 0.98NO -
◆影响硝化作用速率的因素
（1）溶氧

O2＜1 mg/L 抑制 ＜ O2 ＞(5～6) mg/L ， 速度与O2无关 O2 在 1 ～ （5 ～ 6） mg/L 硝化速度随O2增加而加快
（2）pH
适宜pH范围:
弱碱性， pH=7.8-8.9 以pH=8.4最好。 pH=9.5以上 硝化细菌受到抑制 pH=6.0以下 亚硝化细菌被抑制，硝化速 度急剧下降