天然水体中氮磷的循环特征及其在水生态系统中的重要意义

水化学

周立平水产1801班2018308210108

题目：分析天然水体中氮磷的循环特征及其在水生态系统中的重要意义。

分析结果：

第一部分：天然水体中氮的循环特征及其在水生态系统中的重要意义。

1、天然水体中氮的来源

2、天然水体中氮的存在形式

3、天然水体中无机氮的分布变化

4、天然水中氮的循环

5、天然水体中氮的消耗

6、天然水体中氮在生态系统中的意义

第二部分：天然水体中磷的循环特征及其在水生态系统中的重要意义。

1、天然水体中磷的来源

2、天然水体中磷的存在形式

3、天然水体中无机磷的分布变化

4、天然水中磷的循环

5、天然水体中磷的消耗

6、天然水体中磷在生态系统中的意义

第一部分：天然水体中氮的循环特征及其在水生态系统中的重要意义。

1、天然水体中氮的来源

天然水体中化合态氮的来源很广，包括大气降水下落过程中从大气中的淋溶、地下径流从岩石土壤的溶解、水体中水生生物的代谢、水中生物的固氮作用、以及沉积物中氮元素的释放等。另外，近年来随着工农业生产的发展、人口的增加、工业和生活污水的排放、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。根据文献报道,如我国滇池、东湖等城郊湖泊,由于受生活污水的影响，氨氮含量高达0. 09~2.8 mg/L。但是对于水产养殖水体,施肥投饵及养殖生物的代谢是水中氮的主要来源。

天然水和沉积物中的一些藻类(蓝.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用。湖泊沉积物中存在大量的固氮细菌,如巴氏固氮梭菌,大部分集中于上层2 cm内；海洋中的固氮藻类有束毛藻项圈藻属、念珠蓝藻属等,它们既有营自由生活的,也有与其他初级生产者共生、或与动物(如海胆、船蛆)共生的。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、Co等,水中这些微生物的含量对固氮作用有着决定性作用。

2、天然水体中氮的存在形式

天然水域中,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、亚硝酸态氮和有机氮化物。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。

（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,它主要来自空气的溶解。地表水中的游离氮的含量为近饱和值。由于脱氮作用以及固氮作用可能改变其含量,但其影响不大,在天然水域中,游离态氮的行为基本上是保守的。

（2）硝酸态氮(NO5-N)：在通气良好的天然水域,NO5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通常比其他形态的无机氮的含量要低很多,NO2 -N是NHt -N和NO5 - N之间的一种中间氧化状态,它可以作为NHt-N的氧化和NO;-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,因此它是一种不稳定的形态。

（4）氨(铵)态氦(TNH -N)：天然水的氨(铵)态氦是指在水中以NH和NH;形态存在

的氮的含量之和,水化学分析测定的铵氮(或氨氮)都是两者之和。未加以区别。

3、天然水体中无机氮的分布变化

含氮无机化合物主要来自大气降水、耕地施肥和生活污水。河水中硝酸盐NO5 - N 的含量差异很大,每升水从数微克到数十毫克。未被污染的河水,TNH -N含量比NO5 -N 少。大多数河水中所含的无机化合态氮都要比海水高得多。夏季由于水生植物的吸收利用,无机态氮含量大大降低以至达到检测不出的程度。秋季生物繁茂期过后,含量渐渐增多,到冬季达最大值。春季水温渐增,植物光合作用增强,无机化合态氮又逐渐降低。

湖泊中无机化合态氮的年变化规律与河水相似,但在夏季由于水温的明显分层,水体的垂直稳定性增强,在底层由于有机物的分解,无机氮含量明显高于表层。

水库中营养元素的变化也同河水、湖泊相似。但水库主要用于灌溉、发电,水体不断更新,尤其是雨季更是如此,这不仅流失溶存的营养物质,也流失了浮游生物,使水质肥力降低,鱼类的天然饵料大量减少而影响鱼类的生长。

池塘水体中无机态氮的变化同其他天然水体相似,但不同池塘因地区、水文、底质以及人工施肥的不同而有很大差别。例如在夏秋季节,精养池塘的含氮无机盐有明显的昼夜变化和垂直变化。一般随浮游植物生长繁殖作用的消长而相应地变化。真光层的中下层以夜间和清晨为低。底层水由于有底泥中有机物矿化作用的补充，无机氨含量高于表层水，特别是TNH - N,在同一测点上、下水层的含量可有很大的差异。

4、天然水中氮的循环

天然水中各种形态的氮在生物及非生物因素的共同作用下不断地迁移、转化,构成一个复杂的动态循环(图5- 4)。藻类的同化作用微生物的氨化作用、硝化作用和脱氮作用在各种形态氮的相互转化过程中起着极其重要的作用。

（1）氨化作用：含氮有机物在微生物作用下分解释放氨态氮的过程即为氨化作用。氨化作用在好气及厌气条件下都可进行,效率相差不多,但最终的产物有所不同:

氨化的速度受PH影响，以中性、弱碱性环境的效率较高。天然水中各类生物的代谢废物及其残骸经过氨化作用把含氮有机物中的氨释放到水中,是重要的有效氮源之一。沉积于底质中的含氮有机物在适当的条件下，会被异养微生物分解矿化,转变为NH4(NH3),积存于底质的间隙水中,然后通过扩散回到水体中,搅动水一底界面可加速释放过程。

（2）同化作用：水生植物通过吸收利用天然水中的NH (NH3 )、NO2、NO5等合

成自身的物质,这一过程称为同化作用。

天然水中的NHt (NH)、NO2、NO3等无机氮化合物是藻类能直接吸收利用的氮的形态,其中NH* (NH)、NO3来源广，含量较高,是水生植物氮营养元素的主要形态。某些特殊藻类甚至可以直接以游离氮作为氮源固氮作用)。不同种类的水生植物其有效氮的形态可能有所不同,但对一般藻类而言,有效氮指的主要是无机氮化合物。有机氮如果不经脱氨基作用分解,所含氮元素-般不能为植物直接吸收,只能在附着于植物表面的细菌的作用下被间接利用。

实验表明,当NHt (NH)、NO2、NO5共存,其含量又处于同样有效量的范围内,绝大多数藻类总是优先吸收利用NH (NH),仅在NH (NH3 )几乎耗尽以后,才开始利用NO,介质pH较低时处于指数生长期的藻类细胞,此特点尤为显著。

实验证明,在不同类型的生物体内,糖类、脂肪和蛋白质的比例可以有相当大的差别,但就平均状况而言,生物有机体都具有相对固定的元素组成。构成藻类原生质的碳、氮、磷3种元素的平均组成,按其原子个数之比为C:N:P= 106:16:1。一般认为,浮游植物对营养要素的吸收也是按照这样的比例进行的。

（3）硝化作用：在通气良好的天然水中,经硝化细菌的作用,氨可进一步被氧化为NO; ,这一过程称为硝化。硝化分两个阶段进行,即:

2NH4+ +302--→4H* + 2NO2 + 2H2O+能量

2NO2 +O2-→2NO5 +能量

第一阶段主要由亚硝化单胞菌属引起,第二阶段主要由硝化杆菌属引起。这些细菌分别从氧化氨至亚硝酸盐和氧化业硝酸盐至硝酸盐过程中取得能量,.均是以二氧化碳为碳源进行生活的化能自养型细菌,但在自然环境中需在有机物存在的条件下才能活动。

硝化作用释放的H+可与水中的HCO5结合。NH氧化时对溶氧和碱度消耗的总计量关系式为:NH4+ + 1.83O2 + 1.99HCO3-→0.021 C5H7NO2+ 1. 041H2O+ 1. 88H2CO3 + 0.98NO3-

式中C5H7NO2为硝化菌及亚硝化菌生物量的平均元素组成。硝化过程对水中溶解氧和碱度有较大的影响。所以,在使用硝化法处理城市污水时,需要考虑给体系补充氧气碳源和碱度。

（4）脱氮作用：脱氮作用是在微生物的作用下,硝酸盐或亚硝酸盐被还原为一氧化二氮(N2O)或氮气(N2 )的过程。参与这一过程的微生物常称为脱氮菌或反硝化菌。