《营养元素》PPT课件.ppt
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1、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,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。
2、,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,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-NO2-P: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(CH2O)106(NH3)16H3PO4+138O2 O:C:N:P=276:106:16:1(摩
3、尔比)=142:41:7.2:1(质量比),释放的,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,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),藻类处于缺乏营养元素的环境下,一旦接
4、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 OP OPOPO O-O-O-,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。,若S=Km时,V=1/2Vmax,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,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,三、影响天然水体初级产量与生产 速率的限制
5、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 氮对水体水产的影响,一、天然水中氮元素的存在形态1溶解氮气 2亚硝酸态氮(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,.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
6、般 N2%115就可产生气泡病症状。,.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。,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
7、、硝基化合物等。,二天然水中氮来源,鱼池施肥 生活污水和工业废水的注入。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60-70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、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
8、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。,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。,固氮作用,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
9、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。,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
10、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的环境中都能进行有机物 NH+4+CO2+SO42-+H2O 含氮有机物 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,需氧生物,厌氧生物,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
11、+与HCO3-结合)NH4+1.83O2+1.99HCO3-0.021C5H7NO2+1.041H2O+1.88H2CO3+0.98NO3-,(1)溶氧O21 mg/L 抑制O2(56)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,影响硝化作用速率的因素,适宜pH范围:弱碱性,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,(2)pH,在5-30范围内 温度升高,硝化作用加快40 硝化作用受到抑制,(3)温度,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
12、,温度降低氨的去除率迅速降低,光照可以抑制硝化作用的第二个阶段,(4)其他因素,不同强度光照对硝化作用的影响,(4)其他因素(续),非离子氨NH3-N0.1mg/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。,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
13、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,pH5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
14、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。,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/L13.1mg/L和0.20mg/L0.40mg/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3060倍、这是由于它们能使亚硝态氮完全通过鳃而降低毒性。,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
15、生生物具有较强的毒性。非离子氨对水产动物的毒害:,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。,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
16、时半致死浓度为10003000mg/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。,五、水中氮的分布变化规律,1.水平分布 受生物活动、大陆径流、水文状况、沉积作用、人为活动等各种因素的影响,海洋中氮的水平分布通常表现为沿岸、河口水域的含量高于大洋,太平洋、印度洋高于大西洋。开阔大洋中高纬度海域高于低纬度海域。但有时因生物活动和水文条件的变化,在同一纬度上,也会出现较大的差异。,2.垂直分布,在大洋真光层,随深度的增大,其含量逐渐增大,并在某一深度达到最大值,此后不再随深度而变化。在不同的大洋深处,其硝酸盐含量



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