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官厅水库生物固氮作用对水体富营养化的响应

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第41卷 第4期2011年07月吉林大学学报(地球科学版)Jour nal of Jilin U niver sity(Ea rth Science Editio n)Vo l.41 No.4July 2011官厅水库生物固氮作用对水体富营养化的响应孙寓姣,陈 程,丁爱中,程莉蓉北京师范大学水科学研究院,北京 100875摘要:以官厅水库富营养化水体为研究对象,利用乙炔还原法测量水体生物固氮能力,结合变性梯度凝胶电泳(DGG E)技术对固氮生物nifH 基因进行分析。

实验结果表明,官厅水库水体存在生物固氮现象,固氮速率为0.172~9.35nmol/(m 3 d),与水体氨氮、总氮、总磷呈显著相关性(P =0.998,r =0.000;P =0.986,r =0.000;P =0.968,r =0.002)。

DGG E 图谱显示:各点固氮细菌丰度差异较大,Shannon Weaver 指数为0.80~ 2.45,固氮细菌丰度和总氮、总磷存在较强相关性(P =0.737,r =0.094;P =0.787,r =0.063)。

随着水体富营养水平的上升,固氮微生物多样性急剧增加,水体固氮能力也随之上升。

自然固氮可能对原本富营养化的水体产生更大危害。

关键词:官厅水库;生物固氮;富营养化;聚合酶链式反应 变性梯度凝胶电泳中图分类号: 文献标志码:A 文章编号:1671 5888(2011)04 1179 07收稿日期:2010 09 08基金项目:国家自然科学基金项目(50708008)作者简介:孙寓姣(1975 ),女,黑龙江哈尔滨人,副教授,主要从事环境生物技术和污染环境微生物学方面的研究,Email:sunyujiao @通信作者:丁爱中(1969 ),男,安徽怀宁人,教授,博士生导师,主要从事水污染控制、水生态与环境修复研究,E mail:ading@ 。

Response of Biological Nitrogen Fixation to EutrophicWater in Guanting ReservoirSU N Yu jiao,CH EN Cheng,DING Ai zhong,CH EN G Li rongColleg e of W ater S cie nces ,B eij ing N or mal Univ e rsity ,Beij ing 100875,ChinaAbstract:In Guanting reservo ir,bio log ical nitro gen fix ation rate (NFR )w as measured w ith acety lene reduction method,the diver sity o f nitrog en fixation bacteria (NFB)w as rev ealed w ith nifH gene PCR DGGE fingerprint.The results show ed that biolo gical nitrog en fix ation ex ists in Guanting reservoir,the rates of nitro gen fix ation rang ed from 0.172to 9.35nmol/(m 3d).There w as a po sitiv e cor relation betw een N FR and NH +4-N (P =0.998,r =0.000),T N (P =0.986,r =0.000),T P (P =0.968,r =0.002)concentratio ns,r espectively.DGGE fingerprint indicated the (NFB)abundance differed between six sites and positive correlatio ns w er e found betw een NFB abundance and T N (P =0.737,r =0.094),TP (P =0.787,r =0.063).Shannon Weaver index varied in a rang e of 0.80 2.45.During the pr ocess o f eutrophication in reserv io r,nitrog en fixation bacteria div ersity incr eased w ith the nutrient status and ther eby NFR enhanced.In addition,bio logical nitrog en fix atio n could agg ravate eutrophication in Guanting reserv oir.Key words:Guanting reservo ir;biolog ical nitrogen fixation;eutro phication;PCR DGGE0 引言官厅水库位于北京市西北部,曾是北京市主要饮用水源地之一。

自20世纪80年代以来,官厅水库水体严重富营养化,并且在夏季会发生严重的铜绿微囊藻水华[1],因而官厅水库于1997年退出北京市饮用水体系[2 3]。

于勇勇[4]利用主成分分析法对官厅水库1990 1999年10个监测断面的水质数据进行了分析,结果显示,氨氮(NH +4-N )、总氮(TN)、总磷(TP)是官厅水库富营养化的主要贡献因子。

近年来,由于北京市饮用水需求量的增加,饮用水短缺问题日益严重,官厅水库的水体修复成为亟待解决的问题之一。

水体氮营养元素的来源主要有人为源及天然源,目前针对官厅水库氮素人为来源的研究很多[5 6],但是对其天然来源的研究则很少。

已有研究表明:生物固氮作用在氮素的自然循环中扮演着重要角色,它甚至是很多氮限制水体(例如海洋和贫营养湖泊)中氮素的重要来源[7 14]。

在一些富营养湖泊中,固氮蓝藻也会成为优势种[7,15]。

对水体固氮细菌群落结构的研究,是弄清微生物固氮作用过程的基础。

利用传统分离培养方法,仅能获取环境中不到1%的细菌类群[16],不利于了解环境微生物的真实存在状况。

利用分子生物学手段进行微生物生态学研究,大大提高了对实际环境中微生物多样性的全面认识,聚合酶链式反应(po lymerase chain r eaction,简称PCR)和变性梯度凝胶电泳(denaturing g radient gel electro phor esis,简称DGGE)技术的联合使用,使得环境微生物分子生态学研究向前迈进了一大步。

1993年M uzyer 等[17]首次将PCR DGGE 技术应用于微生物生态学研究,并证实了这种技术在研究自然界微生物群落遗传多样性和种群差异方面具有明显的优越性。

笔者应用乙炔还原法测量官厅水库水体的生物固氮能力,同时利用PCR DGGE 技术对官厅水库不同区域水体固氮细菌群落结构变化进行了研究,以期发现官厅水库水体固氮微生物固氮能力及其群落结构对富营养化水平的响应。

1 材料与方法1.1 水样采集水样于2009年7月20日采自官厅水库,采样时水库库区发生严重水华。

共设6个采样点(S1S6),其中,S1,S2,S3位于官厅水库上游妫水河,S4,S5,S6位于水库库区。

采样中使用GPS 系统对每个采样点进行精确定位,采样点位置见图1。

图1 官厅水库采样点图Fig.1 Location of sampling sites in Guanting reservoir用有机玻璃采样器采集水深0.5m 左右处水样。

用于测定固氮速率的水样注入经盐酸浸泡洗净、水样反复润洗的玻璃瓶中,低温条件下避光带回实验室;用于基因组DNA 提取的水样,注入洗净灭菌后的玻璃瓶中低温带回实验室;其它水样用预先洗净的聚乙烯采样瓶采集,低温带回实验室检测。

1.2 水样分析1.2.1 水体固氮速率测定水样经过浓缩后,采用乙炔还原法测定水体固氮速率[18 21]。

具体过程如下:取150m L 水样经定性滤纸过滤除去悬浮颗粒物,再用0.22 m 孔径纤维滤膜过滤去除藻类及微生物待用;另取1500mL 水样在8500 g 力、4 条件下离心20m in 以沉降藻类及微生物细胞;弃上清液,用150m L 经过滤处理的水样重悬浮,即将水样浓缩10倍;取浓缩后的水样50m L,注于65mL 磨口三角瓶中,用注射器抽取顶端15%的空气,并注入等量乙炔气体;水样在27 C 培养箱中水浴培养72h,加入0.1m L 50%三氯乙酸(TCA)[22]后终止反应;取100 L 顶端气体,用SP 2100型气相色谱检测乙炔含量,换算成氮含量表示固氮速率。

每个采样点均设置3组平行样,同时用无菌水设置3组对照实验。

1.2.2 总DNA 提取及固氮nifH 基因扩增水样在无菌条件下经0.22 m 孔径醋酸纤维素滤膜过滤,生物样品浓缩于滤膜上,滤膜置于-20 条件下保存。

使用Omeg a Water DNA Kit1180吉林大学学报(地球科学版) 第41卷试剂盒按其操作说明提取水体微生物的总DNA 。

利用1.2%的琼脂糖凝胶电泳检测结果。

本研究使用巢式PCR 对固氮nifH 基因进行扩增,所用的外引物为FGPH 19和PolR,内引物为GC PolF 和AQER [23]。

PCR 反应液含有:1 L 已提取的DN A 样品, 5.0 L 10 PCR 缓冲液(Takara 公司),4.0 L 2.5mm ol/L dNT P 混合液(Takara 公司),20mm ol/L 上下游引物各1 L,0.25 L(0.5U / L)T aq 聚合酶(T akara 公司),添加无菌水将反应液补齐至50 L 。

PCR 扩增条件为:94 预变性5min;94 变性60s,54 退火60s,72 延伸2m in,共进行30个循环;最后72 延伸7min 。

使用无菌水替代DNA 作为阴性对照。

第一轮PCR 反应结束后取1 L 产物为模板,使用内引物进行第二轮扩增。

第二轮PCR 反应的反应液与第一轮组成基本一致,只是将第一轮反应体系中5.0 L 的10 PCR 缓冲液换成25 L 的2 GCPCR 缓冲液,添加无菌水将反应液补齐至总体系50 L 。

第二轮PCR 扩增条件为:94 预变性5m in;94 变性60s,56 退火60s,72 延伸2min,共进行30个循环;最后72 延伸7min 。

使用无菌水替代第一轮PCR 产物作为阴性对照。

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官厅水库底泥污染物分析及分布规律研究

官厅水库底泥污染物分析及分布规律研究

论文分类号 X524 单位代码10183 密级内部研究生学号 4990094吉林大学硕士学位论文官厅水库底泥污染物分析及分布规律研究Study on Analysis and Distribution Orderliness ofPollutants in Sediments of Guanting Reservoir作者姓名：陈云清专业：分析化学导师姓名：张凤君教授及职称：论文起止年月：2000年11月至 2002年4月提要本文是在完成《官厅水库流域水质改善总体技术方案研究》项目课题三《官厅水库底泥污染监测及控制技术研究》的过程中完成的。

随着官厅水库上游污染治理的不断深入，水库库区内源污染的诊断及治理变得越来越重要。

当官厅水库周边的点污染源和面污染源被较好地控制后，水库库区沉积在底泥中的污染就成为影响库区水体水质的重要因素。

因此，对官厅水库库区底泥中污染物的分布规律和毒性的研究成为本论文的重点。

通过对官厅水库表层底泥样和柱状底泥样的采集和分析，综合运用ＳＥＭ／ＡＶＳ和生态危害指数法对底泥中重金属的毒性和潜在生态危害进行了评价。

通过此课题的完成，最终达到对官厅水库库区重金属的污染分布有清楚的了解，为后续子课题的完成提供了充分的理论依据。

确保在整个项目完成后，底泥中污染物不会对库区水体造成二次污染，完全恢复官厅水库作为北京市饮用水水源地的功能。

　目录第一章文献综述.......................................................................错误！未定义书签。

前言...............................................................................错误！未定义书签。

一、官厅水库基本情况..............................................................错误！未定义书签。

官厅水库水系水环境污染分析及对策

官厅水库水系水环境污染分析及对策

官厅水库水系水环境污染分析及对策摘要：由于官厅水库遭受污染日益严重，1997年退出饮用水体系。

北京是水资源紧缺的城市，随着首都经济和社会的快速发展，水供需矛盾越来越突出。

市委、市政府决定改善官厅水库水质，恢复其为北京市第二饮用水源。

本文根据饮用水水源水质标准，通过对 1995- 1999五年逐月实测水质监测资料的统计分析，研究官厅水库上游、入库、库区及出库水质现状、污染程度、发展趋势和规律，分析解决官厅水库水系水环境污染问题的对策，以利于官厅水库流域水资源保护和水环境污染控制规划，充分发挥水库效益。

一、官厅水库水质评价及趋势分析（一）基本资料官厅水库是我国解放后修建的第一座大型水库，位于北京市西北90公里的永定河上，主要任务是防洪、供水、发电，是北京市重要的供水水源地之一。

官厅水库控制流域面积43402平方公里，占永定河流域面积的92.8％，地跨山西省、河北省、北京市。

有3条人库河流，分别为桑干河、洋河、奶水河，本文采用琢鹿桥站、下花园站、延庆桥站作为其人库代表站；八号桥站为桑十河与洋河汇人永定河后的入库控制站；河口为河口区代表站；永 1008东、永1000为永定河库区（以下简称永库）代表站；1。

妫大桥站为妫水河库区（以下简称妫库）代表站，坝后为出库控制站。

各站分布如图1所示。

水质趋势线按算术平均值法计算，使污染物含量数值点均匀分布于趋势线两侧。

（二）饮用水水源水质评价评价参数：根据饮用水水质的要求，选择大肠菌群、总硬度、氟化物、有机污染综合值和汞、铜、铅、砷等作为评价参数。

评价方法：根据上述选定的污染参数，采用单项参数评价和综合评价相结合的方法。

1．有机污染评价官厅水库水体污染主要原因由有机物质引起，因此采用\有机污染综合评价值\进行评价。

A＝BODi/BODs+CODi/CODs+NH3-Ni/NH3-Ns-DOi/DOs (1) 式中BODi、CODi、NH3－Ni、和DOi为实测值；BODs、CODs、NH3－Ns、和DOs为标准值。

湖泊富营养化与氮磷循环的相关性研究

湖泊富营养化与氮磷循环的相关性研究

湖泊富营养化与氮磷循环的相关性研究湖泊富营养化是指湖泊中营养物质过剩的现象，特别是氮磷元素。

这一现象会导致水体中生物生长的过度，进而破坏湖泊生物多样性和水生态系统的平衡。

为了深入了解湖泊富营养化的原因以及氮磷元素在其循环中的作用，科学家们进行了一系列研究。

湖泊富营养化主要是由人类活动引起的，如农业、工业和城市污水排放。

氮磷元素是植物和微生物生长所需的基本元素，它们在肥料和污水中含量较高。

当这些污染物进入湖泊时，它们会加速湖泊中藻类和植物的生长，形成藻华。

藻华会消耗水体中的氧气，导致水中生物无法存活，最终引发湖泊富营养化。

氮磷循环是湖泊富营养化中一个重要的过程。

氮循环包括氮化、硝化和脱氮过程。

氮化指的是将氨氮转化为氨基酸，而硝化则是将氨氮转化为硝酸盐。

这两个过程可以提供藻类和植物所需的氮源。

然而，氮化和硝化过程也会产生过量的氮，进而造成水体中氮的积累。

脱氮过程则是将水体中的氮还原为气体形式，从而减少氮的含量。

与氮循环不同，磷循环主要涉及到磷的吸附和释放过程。

磷是湖泊中限制生物生长的关键营养物质之一。

它主要通过沉积物进入湖泊，并与悬浮颗粒结合形成不溶性的磷酸盐。

然而，湖泊底部的缺氧环境能够导致这些不溶性磷酸盐释放，进而使水体中的磷含量增加。

此外，沉水植物和藻类的落叶也会导致磷释放，从而加剧湖泊富营养化。

在湖泊富营养化研究中，科学家们发现了一些控制因子，可以在一定程度上预测湖泊富营养化的发展趋势。

其中一个重要的控制因子是氮磷比。

研究表明，当水体中的氮磷比小于16∶1时，湖泊更容易出现富营养化现象。

这是因为氮磷比低于这个阈值时，氮成为限制生物生长的营养物质，从而刺激过度的藻类生长。

此外，湖泊富营养化还会对水质产生一系列影响。

高浓度的藻类和悬浮颗粒会降低水质的透明度，影响浮游植物和浮游动物的生存。

湖泊水体中的富营养化还会导致水生生物的死亡，进而干扰水生态系统的平衡。

因此，控制湖泊富营养化对恢复湖泊生态系统至关重要。

官厅水库及永定河枯水期水体氮_磷和重金属含量分布规律

官厅水库及永定河枯水期水体氮_磷和重金属含量分布规律

收稿日期:2001-10;修订日期:2001-11 基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(N K BR SF -G 1999045710);中国科学院知识创新工程项目(K ZCX 2-310-04-01);中科院地理所所长基金项目(SJIOG -A 00-03) 作者简介:梁涛(1970-),男,博士,副研究员。

主要从事水环境生物地球化学研究工作,已在国内外发表论文近30篇。

E-mail:liang t@ig 文章编号:1007-6301(2001)04-0341-06官厅水库及永定河枯水期水体氮、磷和重金属含量分布规律梁　涛,张秀梅,章　申(中国科学院地理科学与资源研究所,北京　100101)摘要:于枯水期(冬季和春季)在官厅水库库区及永定河沿线13个地点采集了表层水样品,分别测定了原水和过滤水中N 、P 和重金属的含量,同时进一步分析了过滤水中不同形态氮的含量,初步探讨了枯水期官厅水库和永定河水体N 、P 及重金属含量的分布规律及污染特征。

研究结果表明,官厅水库库区及永定河沿线重金属基本没有污染,大多低于地表水Ⅲ类标准,极个别样点超过Ⅲ类但仍低于Ⅳ类标准。

N 、P 污染比较严重,大部分样点的总氮、总磷指标超过湖泊水库Ⅳ类标准,个别样点甚至超过Ⅴ类标准。

不同地点,各形态N 的含量有显著差别,体现了外源污染的区域分布规律。

关　键　词:官厅水库;永定河;氮、磷;重金属;含量分布中图分类号:P 343 文献标识码:A水资源是制约区域经济发展的重要因素[1],位于北京西北部的官厅水库,是北京市两个最重要的供水水源地之一[2]。

然而来自上游大量的点源和非点源污染使官厅水库从建库至今,先后发生重金属污染[3]、有机物污染(主要发生在河口及洋河汇入处)[4]、大肠杆菌污染(上游河流入口处)[5]和氮磷污染[6],并于1997年退出首都饮用水供水系统。

近年来北京市的饮用水供需矛盾日益突出,改善官厅水库水质,恢复其饮用水源地功能已列为北京市的重要战略目标。