邛海濕地春季堿性磷酸酶活性分布及影響因素

摘要：以邛海為研究區(qū)域，對其表層水、上覆水和沉積物間隙水中不同粒級的堿性磷酸酶活性及其他理化因子進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，邛海水體及沉積物總堿性磷酸酶活性（TAPA）的分布具有明顯的空間異質(zhì)性，并且在垂直方向上，水體中的堿性磷酸酶在不同粒級組分中的分布均表現(xiàn)出顯著性差異（P<0.05）。邛海水體中堿性磷酸酶的活性與溶解性正磷酸鹽（DIP）的含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明DIP的濃度是水體中堿性磷酸酶活性的重要調(diào)控因子。

關(guān)鍵詞：堿性磷酸酶活性；空間分布；邛海

中圖分類號：X171；X524 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）14-3613-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.14.018

Abstract： Alkaline phosphatase activity（APA） plays an important role in the biogeochemical cycling of phosphorus in water environment. The spatial distribution of APA in surface，overlying and sediment interstitial water，and relavant environmental variables were studied in Qionghai Lake in spring. The results indicated that the total APA in water and sediment of Qionghai lake showed obvious spatial heterogeneity. Also， the vertical distribution of APA in phytoplankton（PAPA）， bacteria（BAPA） and dissolved（DAPA） was obviously different（P<0.05）. There was a negative correlation between the alkaline phosphatase activity and inorganic phosphate content，which indicated that the concentration of inorganic phosphate was the important regulatory factor to the alkaline phosphatase activity.

Key words： alkaline phosphatase activity； spatial distribution； Qionghai Lake

目前全國水污染現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，水體水質(zhì)日益惡化，90%以上的城市地表水體受到污染，大淡水湖泊和城市湖泊處于中度污染水平，75%以上湖泊出現(xiàn)富營養(yǎng)化[1]。因此近20年來，國內(nèi)學(xué)者對東湖、巢湖、太湖、洞庭湖、洪湖、滇池、白洋淀等湖泊的水污染控制和生態(tài)恢復(fù)開展了大量的研究，并取得了許多成功的經(jīng)驗(yàn)。然而研究主要集中在人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，這些湖泊多數(shù)已經(jīng)富營養(yǎng)化或正在富營養(yǎng)化，如國家重點(diǎn)治理的“三湖”中的太湖和巢湖[2]。中國其他一些位于經(jīng)濟(jì)較落后、人類活動干涉較少地區(qū)的一些湖泊，如四川涼山地區(qū)的邛海、內(nèi)蒙古的呼倫湖等湖泊的水環(huán)境問題也日益突出。但目前這些湖泊受到的關(guān)注程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，且尚處于富營養(yǎng)化轉(zhuǎn)型時期，如及時采取污染控制和預(yù)先的生態(tài)防范措施，則需制定與其他重污染湖泊治理完全不同的先期防治戰(zhàn)略路線，國際上尚未有相關(guān)的完整報(bào)道。因此監(jiān)控邛海營養(yǎng)變化，開展污染源控制和生態(tài)防范措施的研究，不僅有利于邛海水環(huán)境的保護(hù)，也可為相關(guān)湖泊保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐參考。

由于磷被認(rèn)為是浮游植物生長的限制性營養(yǎng)元素[3]，因此在水體富營養(yǎng)化的治理上，可能取決于對磷的控制措施[4]，因此磷的控制就成為了重要的環(huán)節(jié)。大量的研究表明，堿性磷酸酶（APA）作為一種專一水解磷酸單酯的誘導(dǎo)酶類，當(dāng)水體中缺乏正磷酸鹽時，可在浮游植物、浮游動物及細(xì)菌體內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生。堿性磷酸酶可以把有機(jī)磷以及無機(jī)的多聚磷水解成藻類可直接利用的正磷酸鹽，使其生長、繁殖得以持續(xù)[5]。故水體堿性磷酸酶的活性和行為與富營養(yǎng)化程度和水華現(xiàn)象密切相關(guān)[6，7]。根據(jù)富營養(yǎng)化狀態(tài)不同的眾多湖泊中APA的測試數(shù)據(jù)，Jones等[8]認(rèn)為APA是度量水生生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)狀況和生物量的適宜指標(biāo)。堿性磷酸酶在水生生態(tài)系統(tǒng)磷的物質(zhì)循環(huán)過程中具有非常重要的作用[9]，且極富環(huán)境意義，不僅能從宏觀上描述水華的產(chǎn)生與消失等基本過程，而且能在分子機(jī)制方面提供相應(yīng)的解釋，是研究湖泊富營養(yǎng)化的有力工具[10]。目前中國關(guān)于堿性磷酸酶的研究工作多在長江中下游的典型富營養(yǎng)化湖泊中開展，如太湖[11-13]、西湖[14]、東湖[15]、白洋淀[16]等，研究內(nèi)容主要涉及到堿性磷酸酶的活性分布及其動力學(xué)特征等方面。故本研究以四川省西昌邛海為對象，通過對邛海水體和沉積物中堿性磷酸酶活性分布及影響因素的研究，探討尚處于富營養(yǎng)化轉(zhuǎn)型時期的湖泊控制，以此作為治理和保護(hù)邛海的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

邛海位于四川省西昌市，流域面積307.67 km2，地處102°15′-102°28′E，27°42′-27°55′N（圖1），系四川省第二大淡水湖泊。邛海不僅是流域內(nèi)重要的水源地一級保護(hù)區(qū)，同時邛海-瀘山景區(qū)也是國家級風(fēng)景名勝區(qū)，對當(dāng)?shù)氐纳鐣徒?jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要支撐。

1.2 樣品采集

2014年3～5月在邛海的4個長期監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行每月采樣，各采樣點(diǎn)的地理位置如圖1所示。分別使用有機(jī)玻璃采水器采集表層水（水面下0.5 m）和上覆水（距沉積物表面0.1 m），用抓土漏斗采集沉積物約1 kg。每樣點(diǎn)樣品采集兩份，重復(fù)采樣樣點(diǎn)間隔50 m。所有樣品置于4 ℃冰箱保存，其中沉積物4 000 r/min離心10 min，制備間隙水，并在24 h內(nèi)對各項(xiàng)理化指標(biāo)及APA進(jìn)行測定。現(xiàn)場測定透明度、pH、水溫等參數(shù)。

1.3 分析方法

1.3.1 理化因子的測定 參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》[17]，總磷（TP）、總氮（TN）采用過硫酸鉀消化法測定，溶解性正磷酸鹽（DIP）采用鉬-銻-抗比色法測定，CODMn采用高錳酸鉀法測定，葉綠素a（Chla）采用熱乙醇-反復(fù)凍融法測定[18]。

1.3.2 水體中堿性磷酸酶活性 堿性磷酸酶活性分析是基于酶作用物能被各自的專性酶水解成含有不同發(fā)色基團(tuán)的產(chǎn)物，而這些產(chǎn)物的吸光度可用分光光度計(jì)測得的原理。分別取2份樣品，取2 mL水樣加入1 mL緩沖液、2 mL底物，30 ℃水浴3 h后加1 mL的0.1 moL/L NaOH終止反應(yīng)，410 nm測其吸光度，設(shè)置空白對照為底物加去離子水。堿性磷酸酶活性表示為單位體積內(nèi)水樣所包含酶在單位時間內(nèi)水解產(chǎn)生的對應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)物的量，即對硝基苯酚[mmol/（L·h）]，酶活性的計(jì)算公式如下：

酶活性=（A/ε·V）/（V樣·t）

式中，A為吸光度；ε為產(chǎn)物的摩爾消光系數(shù)[對硝基苯酚為17 500 L/（moL·cm）]；V為反應(yīng)體系體積；V樣為樣品體積；t為反應(yīng)時間。

將水樣在不過濾、用3.00 μm濾膜及0.22 μm濾膜抽濾的條件下，分別測定其APA。其中未過濾樣品中的堿性磷酸酶活性即為總堿性磷酸酶活性（TAPA）；0.22 μm濾膜過濾后的水樣中的堿性磷酸酶活性即為溶解性堿性磷酸酶活性（DAPA）；3.00 μm濾膜過濾后的水樣中的堿性磷酸酶活性為細(xì)菌的堿性磷酸酶活性（BAPA）和溶解性堿性磷酸酶活性；藻類的堿性磷酸酶活性（PAPA）=TAPA-BAPA-DAPA。

2 結(jié)果與分析

2.1 TAPA的分布情況

4個采樣點(diǎn)的TAPA的分布均具有非均一性。對各采樣點(diǎn)進(jìn)行分析，表層水中1號的TAPA最高，為3.57×10-5 mmol/（L·h），3號最低，為2.14×10-5 mmol/（L·h）；上覆水中2號的TAPA最高，為3.28×10-5 mmol/（L·h），1號最低，為2.42×10-5 mmol/（L·h）；間隙水中1號最高，為2.314×10-4 mmol/（L·h），3號最低，為1.505×10-4 mmol/（L·h）。

從不同水層方面分析，4個站點(diǎn)各自的表層水、上覆水、間隙水的堿性磷酸酶活性有依次升高的趨勢。從其平均值來看，間隙水中TAPA的平均值最高，上覆水次之，表層水最低。通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，間隙水、上覆水和表層水的TAPA均表現(xiàn)出顯著性差異（P<0.05）。

2.2 TAPA在不同粒級組分中的分布及變化

經(jīng)過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，水體中TAPA在不同粒級組分中的分布具有顯著性差異（P<0.05），且不同水層中的粒級組分也具有顯著性差異（P<0.05）。表層水中DAPA占TAPA比例最高，平均為56.71%；BAPA所占的比例次之，平均為22.57%；PAPA所占比例最少，平均為20.72%。上覆水中所占比例平均依次為DAPA（51.02%）>PAPA（32.83%）>BAPA（16.15%），而間隙水中PAPA占比最高，所占比例平均依次為PAPA（60.75%）>BAPA（32.28%）>DAPA（6.97%）（圖3）。

從垂直方向上看，DAPA占TAPA的比例有自上而下遞減的趨勢；PAPA占TAPA的比例有自上而下遞增的趨勢；BAPA所占的比例并未體現(xiàn)出類似的規(guī)律，但是在間隙水中所占的比例顯著高于表層水和上覆水（P<0.05）。

2.3 TAPA與TP、DIP的關(guān)系

隨著水體中磷濃度的變化堿性磷酸酶的活性也出現(xiàn)不斷的變化（圖4和圖5）。然而統(tǒng)計(jì)分析顯示，水體中TP的濃度變化與水體中TAPA并沒有顯著相關(guān)關(guān)系（r=0.485，P>0.05）。但是圖5卻顯示出水體中DIP的濃度變化與水體中TAPA的變化存在著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.713，P<0.05）。當(dāng)水體中DIP的濃度升高時，TAPA就會相應(yīng)的降低。

2.4 TAPA與葉綠素a的關(guān)系

圖6表示了TAPA與葉綠素a的濃度之間的關(guān)系。TAPA會隨著葉綠素a的濃度變化而變化，但是兩者之間并沒有體現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系（r=0.402，P>0.05）。

3 小結(jié)與討論

通過對邛海水體和沉積物中堿性磷酸酶的活性分布和影響因素的研究，初步得到以下結(jié)論：①邛海水體和沉積物中堿性磷酸酶活性分布具有明顯的空間異質(zhì)性，主要與水體的營養(yǎng)及水質(zhì)狀態(tài)有關(guān)；②春季時，邛海水體中堿性磷酸酶活性主要集中分布在沉積物間隙水中；③目前邛海水體處于貧營養(yǎng)化，其底質(zhì)處于中富營養(yǎng)狀態(tài)；④DIP可能是調(diào)節(jié)TAPA的更為直接的影響因子；⑤邛海水體和沉積物中堿性磷酸酶活性與采樣點(diǎn)的富營養(yǎng)化程度趨于一致，可以作為湖泊富營養(yǎng)化的指標(biāo)，這對檢測水質(zhì)營養(yǎng)狀況，預(yù)防水體富營養(yǎng)化，防止水華暴發(fā)有著重要的意義。

3.1 堿性磷酸酶活性分布的空間異質(zhì)性

4個樣點(diǎn)的TAPA分布具有非均一性，1號的堿性磷酸酶活性平均值最高，2號次之，3號的最低。通過各項(xiàng)數(shù)據(jù)對比各樣點(diǎn)的相關(guān)指標(biāo)可發(fā)現(xiàn)，堿性磷酸酶活性的分布不僅僅受到其誘導(dǎo)因素磷的影響，同時還與化學(xué)需氧量、氨氮含量、溶解氧含量、pH等多重因素有關(guān)。可見APA是一個可以反映水體綜合水質(zhì)及營養(yǎng)狀態(tài)的指標(biāo)。

不同水層的堿性磷酸酶活性表現(xiàn)出明顯的異質(zhì)性。除1號的表層水堿性磷酸酶活性略高于上覆水外，其他站點(diǎn)的堿性磷酸酶活性自上而下表現(xiàn)出明顯的遞增趨勢，同時發(fā)現(xiàn)間隙水的堿性磷酸酶活性顯著高于表層水和上覆水（P<0.05），即邛海在春季時沉積物間隙水中的酶催化效率較高，能迅速分解或礦化可酶解磷，成為磷營養(yǎng)的一個重要補(bǔ)給庫。可見當(dāng)邛海的水體處于磷營養(yǎng)缺乏時，其底質(zhì)具有迅速水解釋放可溶性磷酸鹽供浮游藻類生長的潛能。

3.2 TAPA在各水層不同粒級組分中分布的非均一性

水體中堿性磷酸酶在不同粒級組分中的分布體現(xiàn)出空間的非均一性，并且在不同水層表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。不同粒級的堿性磷酸酶活性在表層水中表現(xiàn)為DAPA>BAPA>PAPA，在上覆水中表現(xiàn)為DAPA>PAPA>BAPA，在間隙水中表現(xiàn)為PAPA>BAPA>DAPA。這可能與不同水層中水生生物的組成和多少有關(guān)。因?yàn)楦∮紊锒喾植荚诔练e物表層，而表層水和上覆水中浮游植物生物量較少，因此水體中是溶解性磷酸酶占主導(dǎo)地位，沉積物的間隙水中是藻類磷酸酶占主導(dǎo)地位。

有研究者發(fā)現(xiàn)在寡營養(yǎng)湖泊中，溶解性磷酸酶活性占總酶活性的50%以上，并且認(rèn)為在寡營養(yǎng)湖泊中有超過一半的有機(jī)磷被溶解態(tài)磷酸酶所水解。可見溶解態(tài)堿性磷酸酶在湖泊磷循環(huán)過程中具有重要的作用，且與富營養(yǎng)化程度相關(guān)。本研究中，表層水和上覆水中DAPA占TAPA的比例分別為56.71%和51.02%，均超過50.00%；而間隙水中DAPA所占比例僅為6.97%。由此推測，邛海的水體處于貧營養(yǎng)狀態(tài)，而湖底沉積物則處于中富營養(yǎng)狀態(tài)，當(dāng)遇到合適的氣候水文條件時，底質(zhì)中營養(yǎng)物質(zhì)的上翻及釋放就可能造成藍(lán)藻的爆發(fā)，所以這一點(diǎn)需引起重視。

3.3 堿性磷酸酶活性與TP、DIP和Chla的關(guān)系

邛海水體中生物可直接利用的磷的含量并不高，僅占水體中總磷的5%左右，且DIP濃度很低，各采樣點(diǎn)中可溶性正磷酸鹽的最高濃度也很低。很多藻植物在處于缺磷狀態(tài)時，它們能產(chǎn)生堿性磷酸酶，而在營養(yǎng)充足時，酶的合成則受到抑制。所以堿性磷酸酶作為一種誘導(dǎo)酶，也作為一種誘導(dǎo)-抑制機(jī)制。當(dāng)水體中生物可直接利用的溶解性正磷酸鹽的濃度較低，不足以維持藻類生長時，藻類、細(xì)菌等則會受到誘導(dǎo)，會大量產(chǎn)生、釋放堿性磷酸酶到水中，并且其活性也相應(yīng)顯著增加，這就使水體中有機(jī)磷的分解、釋放速率加快，導(dǎo)致水體中DIP濃度增加；而隨著水體中DIP濃度的增加，堿性磷酸酶的活性則會受到抑制，使得水體中磷的分解、釋放速率變緩，再加上藻類、細(xì)菌的利用，導(dǎo)致水體中DIP的濃度逐漸下降，最終又使得堿性磷酸酶的活性逐漸增加[19]。因此DIP與TAPA呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.713，P<0.05），與Aaronson等[20]的研究結(jié)果一致。而總磷與堿性磷酸酶活性則沒有顯著的相關(guān)關(guān)系（P>0.05），這與以往一些研究結(jié)果表明水體中APA與總磷濃度具有正相關(guān)關(guān)系[21-23]有所不同，說明生物可直接利用的溶解性正磷酸鹽可能是調(diào)節(jié)堿性磷酸酶活性更為直接的誘導(dǎo)或者抑制因子。

表層水體中的總堿性磷酸酶主要來自于溶解性磷酸酶，溶解性磷酸酶主要來自于浮游植物和浮游動物的主動釋放或從解體的細(xì)胞中溢出[24]。在不同的季節(jié)，不同的水體中，溶解性磷酸酶可能來自不同占優(yōu)勢的生物類群。據(jù)相關(guān)研究，堿性磷酸酶活性與細(xì)菌和浮游植物量之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。瑞典Erken湖中細(xì)菌的生物量極低，水體磷酸酶活性與葉綠素含量有著極其相似的季節(jié)及空間上的變化趨勢[8]。而在細(xì)菌占優(yōu)勢的情況下，水體堿性磷酸酶活性的日變化趨勢與細(xì)菌數(shù)目之間具有某種內(nèi)在的聯(lián)系。邛海水體中，堿性磷酸酶活性與葉綠素a之間具有相似的變化趨勢，但是并沒有體現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系，可見，春季該水體中的堿性磷酸酶不一定主要來自于藻類。且表層水中細(xì)菌的堿性磷酸酶活性占總堿性磷酸酶活性的比例為20.38%，高于藻類的堿性磷酸酶活性所占的比例。因此，要確定邛海水體表層水中堿性磷酸酶的主要來源還有待于對其生物類群組成及數(shù)量的調(diào)查。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張利平，夏 軍，胡志芳.中國水資源狀況與水資源安全分析[J].長江流域資源與環(huán)境，2009，18（2）：116-120.

[2] 趙永宏，鄧祥征，戰(zhàn)金艷，等.我國湖泊富營養(yǎng)化防治與控制策略研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（3）：92-98.

[3] 曹秀云.浮游植物胞外磷酸酶在富營養(yǎng)化湖泊磷循環(huán)過程中的作用[D].武漢：中國科學(xué)院水生生物研究所，2005.

[4] 黃清輝.淺水湖泊內(nèi)源磷釋放及其生物有效性[D].北京：中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，2005.

[5] JANSSON M，OLSSON H，PETTERSSON K. Phosphatases：origin，characteristics and function in lakes[J].Hydrobiologia，1988， 170：157-175.

[6] WRIGHT R R，HOBBIE J E. Use of glucose and acetate by bacteria and algae in aquatic ecosystem[J].Ecology，1966，47： 447-464.

[7] REICHARDT W. Catalytic mobilization of phosphate in lake water and by Cyanophyta[J].Hydrobiologia，1971，28（3-4）： 337-394.

[8] JONES J G. Studies on freshwater microorganisms： Phosphatase activity in lakes of differing degrees of eutrophication[J].J Ecol，1971，60（3）：777-791.

[9] 周易勇.水環(huán)境監(jiān)測的酶學(xué)方法[J].中國環(huán)境監(jiān)測，1999，15（2）：61-64.

[10] HEATH R T，COOKE G D. The signficance of alkaline phosphatase in a eutrophic lake[J]. Verh Internat Verein Limnol，1975，19：959-965.

[11] 王福芳，屈建航，胡元森.太湖水-沉積物界面磷、pH及堿性磷酸酶的時空特征及相關(guān)性[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，21（5）：907-912.

[12] 高 光，朱廣偉，秦伯強(qiáng)，等.太湖水體中堿性磷酸酶的活性及磷的礦化速率[J].中國科學(xué)D輯，2005，35（S2）：157-165.

[13] 高 光，高錫云，秦伯強(qiáng)，等.太湖水體中堿性磷酸酶的作用閾值[J].湖泊科學(xué)，2000，12（4）：353-358.

[14] 陳宜宜，朱蔭湄，胡木林，等.西湖底泥中酶活性與養(yǎng)分釋放的關(guān)系[J].浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，23（2）：171-174.

[15] 周易勇，李建秋，張 敏，等.淺水湖泊中沉積物堿性磷酸酶動力學(xué)參數(shù)的分布[J].湖泊科學(xué)，2001，13（3）：261-266.

[16] 徐 爽，劉存歧，董夢薈，等.白洋淀水體和沉積物中堿性磷酸酶活性的時空分布及其影響因素[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013， 33（12）：3317-3323.

[17] 國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法[M]. 第四版. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[18] 黃廷林，從海兵，何文杰.水生藻類葉綠素測定方法[P].中國：CN200410073542.8，2005-06-29.

[19] CHROST R，SIUDA W，HALEMEJKO G Z. Longterm studies on alkaline phosphatase activity（APA） in a lake with fish-aquaculture in relation to lake eutrophication and phosphorus cycle[J]. Archiv Fur Hydrobilologie，1984，70：1-32.

[20] AARONSON S， PATNI N J. The role of surface and extracellular phosphatases in the phosphrus requirement of Ochromonas[J]. Limnol Oceanogr，1976，21：838-845.

[21] 路 娜，胡維平，鄧建才，等.太湖水體中堿性磷酸酶的空間分布及生態(tài)意義[J].環(huán)境科學(xué)，2009，30（10）：2898-2903.

[22] 張 宇，烏 恩，李重祥，等.長江中下游湖泊沉積物酶活性及其與富營養(yǎng)化的關(guān)系[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2011，17（2）：196-201.

[23] BARIK S K，PURUSHOTHAMAN C S，MONHANTY A N. Phosphatase activity with reference to bacteria and phosphorus in tropical fresh water aquaculture pond systems[J].Aquacult Res，2001，32：819-832.

[24] REICHARDT W，OVERBECK J，STEUBING L. Free dissolved enzymes in lake waters[J]. Nature，1967，216：1345-1347.