富營養化湖泊沉積物中痕量磷化氫的釋放摘要：磷化氫是磷生物地球化學循環的氣相載體，湖泊沉積物中吸附態磷化氫的釋放對湖泊富營養化過程和磷的收支平衡均有重要的影響。本文以富營養化湖泊的沉積物樣為研究對象，采用室內模擬方法，考察了pH、溫度、泥水比和攪動等環境因子對沉積物中磷化氫釋放的影響。結果表明，pH值為1或12時，沉積物磷化氫消失很快；pH值為10時，吸附態磷化氫的凈積累量較大。溫度對磷化氫的生成和釋放影響較大，20℃有利于沉積物中吸附態磷化氫的積累。泥水比例為1：3（w/w）時，吸附態磷化氫和頂空磷化氫氣體均達最大值，分別為7,517ng·kg-1和40ng·m-3。50r·min-1的低擾動強度下，吸附態磷化氫的變化不顯著；100r·min-1的中擾動強度下，吸附態磷化氫的量先增加后下降，其凈含量是磷化氫生成和釋放相互平衡后的結果；擾動強度增加到150r·min-1后，磷化氫釋放加劇，在沉積物中的量急劇下降。關鍵詞：磷化氫；釋放；富營養化；湖泊沉積物；環境因子ReleaseoftracephosphinefromeutrophiclakesedimentsAbstract:Phosphineisanaturalgaseouscarrierofphosphorusinitsbiogeochemicalcycles,anditmightbeofimportancetothephosphorusbalanceofeutrophiclakes.EffectsofpH,temperature,theratioofsedimenttowateranddisturbingonproductionandemissionofphosphineineutrophiclakesedimentswereinvestigatedundersimulativeconditions.Resultsindicatedthattheeliminationofmatrix-boundphosphinewasacceleratedunderpH1orpH12.PhosphinelevelscouldachievemaximumatpH10.Theratesofphosphineproductionandemissionfromlakesedimentsvariedwiththetemperatures.20℃wasthefavorabletemperaturefortheproductionofmatrix-boundphosphine.Whentheratioofsedimenttowaterwas1:3（w/w）,boththematrix-boundphosphineandthegaseousphosphinecouldobtainmaximum,whichwas7,517ng·kg-1and40ng·m-3respectively.Disturbingcouldinfluenceboththeformationandthereleaseofphosphineinlakesediment.Underlowerdisturbingintensity(50r·min-1),thechangeprocessofmatrix-boundphosphinewasnotobvious.Whilethedisturbingintensityaddedto100r·min-1,thecontentsofmatrix-boundphosphineincreasedatfirst,thendecreasedcomparingtorestinglaboratory.Matrix-boundphosphineconcentrationsinlakesedimentswereconcludedtobedependentonabalanceofnaturalgenerationanddepletionprocess.Asthedisturbingintensitybecamegreater(150r·min-1),anobviousreleaseprocessofphosphinewasfound.Keywords:phosphine;release;eutrophication;lakesediments;environmentalfactors磷化氫（PH3）作為磷循環的一種還原態揮發性氣態形式，已被證實為自然界中普遍存在的痕量氣體。其在環境中以游離氣態形式（gaseousphosphine）和基質吸附態形式(matrix-boundphosphine)存在[1-3]。1993年，Gassmann等[4]首次在德國港灣（淡水）表層沉積物中檢測到0.2-56.6ng·kg-1的磷化氫。2000年，曹海峰等[5]在北京十三陵水庫沉積物中發現了1.89-2.06ng·kg-1的磷化氫。最近，我們在太湖沉積物中也檢測出了磷化氫，其含量為21.5-563ng·kg-1[6]，這一濃度已超過Hudson等人[7]報道的富營養化湖泊磷濃度的均值。沉積物中的磷化氫在一定條件下可不斷向水體和大氣中遷移，磷化氫進入水體和大氣后極易被氧化成次磷酸鹽、亞磷酸鹽和磷酸鹽，這些磷酸鹽可重新返回水體參與磷的生物地球化學循環并加劇湖泊富營養化進程。Lewis等人[8]已證實夏季發生的劇烈磷沉降主要是一些水溶性、可透過濾紙的含磷化合物，其來源與微生物活動產生的氣態含磷化合物有關。因此，開展沉積物中磷化氫行為的研究對弄清磷的生物地球化學循環過程和湖泊富營養化的治理均有重大意義。磷是大多數湖泊富營養化的限制因子。湖泊沉積物是湖泊營養的內負荷，在切斷外源污染的情況下，沉積物內源磷的釋放仍能使水體處于富營養化狀態。沉積物-水界面的氧化還原電位、pH、溫度、泥水比例和攪動等環境條件均會影響湖泊沉積物磷的釋放和再分配。目前有關沉積物中磷釋放的報道較多，但由于磷化氫是新發現的磷化物，已往所有關于磷釋放行為的研究中均未考慮磷化氫的存在及其在湖泊磷循環中的地位和作用。本文以富營養化淺水湖泊（烏龍潭）的沉積物為研究對象，在實驗室模擬湖泊環境，考察了pH值、溫度、泥水比和擾動等環境因素對沉積物中磷化氫生成和釋放的影響，探討能有效控制磷化氫釋放的因子。實驗結果是對湖泊磷循環的重要補充，并可為湖泊富營養化的治理提供新的參考。1實驗材料與方法1.1樣品采集采集南京市烏龍潭表層沉積物，清除掉其中的雜物及較大的顆粒物，混合均勻，同時采集樣點上覆水，將沉積物和上覆水立即帶回實驗室在0~4℃下避光儲藏，及時分析其中磷化氫的初始含量和進行室內模擬實驗。所有沉積物樣均為臨用前現采。1.2實驗方法1.2.1pH控制分別用硫酸和氫氧化鈉溶液調節上覆水初始pH值為1，2，4，6，8，10和12，每3天用相應的pH值溶液更換上覆水，保持pH值相對恒定在最初的設定值。稱取30g沉積物濕樣置于120mL的醫用玻璃注射瓶內，分別加入60mL上述調節好pH值的溶液。培養瓶用高純氮氣置換后，用反口塞密封，避光，置于恒溫器內靜止培養，培養溫度（30±1）℃（下同）。1.2.2溫度控制將30g沉積物濕樣和60mL樣點上覆水置于120mL試驗瓶內，在恒溫器內（選擇4℃、20℃、30℃和40℃）進行溫度模擬實驗。1.2.3泥水比控制500mL棕色瓶中裝有80g烏龍潭沉積物樣（濕重），每瓶分別加入80mL、240mL和400mL上覆水(即泥：水分別為1：1、1：2和1：3（w/w）)。培養40d后，分析沉積物和頂空氣體中的磷化氫。1.2.4攪動控制120mL的試驗瓶內裝有30g沉積物濕樣和60mL樣點上覆水，置于恒溫振蕩器內避光培養，控制擾動轉速為100r·min-1，同時做靜置對照實驗。另取一批烏龍潭沉積物樣，實驗裝置和樣品加入量同上，實驗過程中通過調節恒溫振蕩器的轉速（r·min-1）來改變攪動強度，實驗流程如下：定期取樣分析沉積物中磷化氫的變化，每次培養實驗均設3個平行，實驗結果取其均值。1.3磷化氫的分析1.3.1儀器與試劑Agilent4890D氣相色譜儀，氮磷檢測器（NPD），Crosslinked5%PhMeSilicone色譜柱（25m0.2mm0.33mfilmthickness,HewlettPackard），Al2O3/Na2SO4毛細管柱（80cm0.53mm，trap1；20cm0.32mm，trap2，HewlettPackard，）作冷阱，吸附在多孔載體上的固體NaOH干燥劑(MerckKGaA,64271Darmstadt,Germany)作預處理，液氮（南京大學制冷實驗室）。1.3.2分析方法采用柱前兩次低溫冷阱富集—GC/NPD聯用技術分析氣態磷化氫[9]，由樣品峰與磷化氫標準氣體色譜峰相比較得出定量分析結果。吸附態磷化氫的釋放：稱取1g左右沉積物樣，用5mL濃度為0.5mol·L-1的硫酸加熱消解5min，釋放出的磷化氫氣體用高純氮氣置換出[10]，用氣相色譜分析，計算結果均以ng·kg-1(干重)表示。2結果與討論2.1pH值對湖泊沉積物中吸附態磷化氫生成和釋放的影響沉積物中吸附態磷化氫隨時間變化過程如圖1所示。從圖1可看出，pH值為1時，磷化氫消失的很快，培養6d后，沉積物中磷化氫的濃度降至154ng·kg-1，下降了95%左右；pH值為2—6時，沉積物中磷化氫的濃度隨pH值變化不大。pH值為8—10時，磷化氫的凈積累量較大；pH值為10值時，培養15d磷化氫的最大吸附量達5,756ng·kg-1。繼續提高pH值至12時，培養19d，磷化氫消失了一半左右。圖1不同pH值條件下沉積物吸附態磷化氫隨時間變化過程Fig.1Timecoursesofmatrix-boundphosphinefromlakesedimentsunderdifferentpHvaluespHvalue:pH=1pH=2▲pH=4×pH=6?pH=8pH=10+pH=12實驗中檢測到的吸附態磷化氫是其生成和消減（氧化，向水相和氣相擴散等）相平衡后的凈積累量。維持pH值動態恒定時，在偏堿性條件下（pH值8—10），沉積物磷化氫凈積累量增加的原因可能是：堿性條件比酸性條件下更利于吸附態磷化氫的產生，或者酸性條件下磷化氫的釋放速度遠大于堿性條件下。已有研究表明，在較低或較高的pH值時，底泥釋磷量倍增[11]，磷化氫的釋放可能也符合這一規律，圖1的結果表明在pH值為1或12時，磷化氫的凈積累量較少。凡影響沉積物磷化氫生成和消減的因素均會影響到體系中吸附態磷化氫的終含量。pH值改變時，一方面改變了沉積物的理化性質（有機質組分，無機鹽狀態，氧化還原電位等），另一方面也改變了產磷化氫的微生物以及氧化磷化氫的微生物的活性。2.2溫度對湖泊沉積物中吸附態磷化氫生成和釋放的影響圖2為不同溫度下沉積物中吸附態磷化氫的變化曲線。從圖2可看出，4℃和40℃時，沉積物中磷化氫的量均隨時間緩慢降低。20℃—30℃時，沉積物中磷化氫的凈積累濃度較大。在20℃時，吸附態磷化氫的量在10d左右達到峰值。圖2不同溫度下沉積物吸附態磷化氫隨時間變化過程Fig.2Timecoursesofmatrix-boundphosphinefromlakesedimentsunderdifferenttemperaturetemperature:?4℃;20℃;▲30℃;40℃溫度較低時（4℃），微生物活動基本停止，生物合成磷化氫的速度和氧化磷化氫的速度都減緩，但物理擴散的過程仍在進行，因此，磷化氫的凈積累量隨時間稍有下降。溫度升高時（20℃—30℃）時，磷化氫生成和釋放速度都加劇。一般微生物適宜生長的溫度都在這一范圍內，此時，一方面微生物轉化含磷底物生成磷化氫的速度加快；另一方面，微生物活動增加，耗氧加快，導致溶解氧減少，使環境由氧化狀態向還原狀態轉化，也促使還原態磷化氫的生成速度加快。因而，這一溫度條件下吸附態磷化氫的積累量較高。溫度繼續升高時（40℃），加劇了磷化氫從吸附基體上脫附向周圍環境中擴散[12]，而過高的溫度也不利于微生物的生長繁殖，此時磷化氫的擴散速度大于其生成速度，表現出其積累量降低。20℃時，吸附態磷化氫的量達到峰值，此時磷化氫的生成速度達最大值。這與太湖沉積物中磷化氫的時空變化結果相吻合，牛曉君等[9]研究發現在5月、6月和9月份太湖沉積物中磷化氫的濃度較高，此時，環境溫度在20℃左右。2.3泥水比對沉積物磷化氫生成和釋放的影響不同泥水比對沉積物吸附態磷化氫和頂空游離磷化氫的影響分別如圖3（a和b）所示。由圖中可見，當泥：水（w/w）為1：3時，沉積物吸附態磷化氫濃度最大，達7，517ng·kg-1。其余泥水比例下吸附態磷化氫在2,000—3,000ng·kg-1之間。在1：3的泥水比條件下其頂空游離磷化氫濃度也取得最大值，為40ng·m-3，其余條件下頂空磷化氫均在1.0ng·m-3以下。圖3不同泥水比(w/w)對吸附態磷化氫和頂空磷化氫濃度的影響Fig.3Effectsofdifferentratioofsedimenttowater(w/w)onbothmatrix-bound（a）andgaseousphosphine（b）contents比較圖3（a和b）可知，沉積物吸附態磷化氫含量較高時，釋放到頂空的磷化氫濃度相應也高，它們都取決于沉積物中生成的磷化氫量。當泥水比從1：1增加到1：2和1：5時，沉積物中磷化氫濃度隨之增加，但頂空磷化氫濃度卻隨之下降。泥水比為1：5時，頂空磷化氫濃度最低，其濃度為0.31ng·m-3，泥水比影響了磷化氫在水相中的擴散速度，磷化氫在水相中的擴散是它進入大氣的速控步驟，泥水比增加時，磷化氫的擴散阻力增加，釋放到頂空的磷化氫量相應減少。2.4擾動對沉積物磷化氫生成和釋放的影響擾動對淺水湖泊來說是影響水-沉積物界面反應的重要物理因素，可通過擾動來模擬實際水體中，風浪和來往船只等對磷化氫釋放的影響。靜置和100r·min-1的擾動條件下沉積物吸附態磷化氫的動態變化過程如圖4所示。沉積物中生成的磷化氫很大一部分以基質吸附態形式被沉積物膠體微粒吸附，還有一部分被氧化，剩余的一部分則以游離氣態形式向水中和大氣中擴散。實驗中測定的吸附態磷化氫濃度是其生成和消減（氧化，擴散等）相互競爭后的凈結果。實驗前期（0-80h），攪動可加劇微生物的活動和含磷底物轉化成磷化氫的速度，加速了磷化氫的生成，表現為吸附態磷化氫的量增加；實驗后期（80-150h），當磷化氫的生成量不在增加時，此時，物理擴散仍在進行，擾動使磷化氫的擴散速度增加，吸附態磷化氫的量比靜置狀態下的低。圖4100r·min-1的擾動強度下吸附態磷化氫隨時間的變化曲線Fig.4Timecoursesofmatrix-boundphosphineunder100r·min-1disturbingconditions圖5為不同擾動強度下沉積物吸附態磷化氫的變化行為。如圖中所示，吸附態磷化氫圖5不同擾動強度對沉積物吸附態磷化氫釋放的影響Fig.5Timecoursesofmatrix-boundphosphineunderdifferentdisturbingconditions在50r·min-1的輕微擾動條件下，其變化并不明顯，磷化氫的生成和消減達到動態平衡。在隨后的靜置狀態下，吸附態磷化氫的量先增加后有所降低。停止擾動后，磷化氫的釋放速率下降，而釋放出的磷化氫部分重新被沉積物吸附，導致靜置前期沉積物中磷化氫的量有所增加。當擾動強度提高到150r·min-1時，沉積物中吸附態磷化氫的量急劇降低，強擾動強度大大加速了吸附態磷化氫的釋放。Devai等人[13]的研究也表明強烈擾動可顯著增加磷化氫的釋放通量。淺水湖泊中，風浪和水動力等擾動導致沉積物中吸附態磷化氫的大量釋放對上覆水體中磷的貢獻也不容忽視。3結論(1)pH值為1或12時，沉積物吸附態磷化氫的量隨時間顯著降低，pH值為1時，培養6d后磷化氫消失了95%，pH值為12時，培養19d后磷化氫消失了50%。pH值8—10的條件下，有利于吸附態磷化氫的積累，pH值為10時，磷化氫的吸附量可達最大為5,756ng·kg-1。(2)溫度較低（4℃）時，磷化氫的生成和釋放都較慢；20℃—30℃時，磷化氫的生成和釋放速度都加快，20℃時吸附態磷化氫的凈積累量達最大。溫度進一步升高（40℃）時，磷化氫的釋放速率大于生成速率，表現為吸附態磷化氫的積累量下降。(3)泥水比為1：3時，吸附態磷化氫和頂空磷化氫氣體的量均達最大值，分別為7,517ng·kg-1和40ng·m-3。磷化氫的釋放量很大程度上取決于沉積物中磷化氫的生成量，此外，泥水比對磷化氫在水相和氣相的擴散亦有一定的影響，泥水比增加時，磷化氫的擴散阻力增加，釋放到頂空的磷化氫量相應減少。(4)擾動對沉積物中吸附態磷化氫的生成和釋放均有影響。50r·min-1的低擾動強度下，吸附態磷化氫變化不顯著，此時生成和釋放達到平衡；100r·min-1的擾動強度下，吸附態磷化氫的量先增加后下降，其凈含量是磷化氫生成和釋放相互平衡后的結果；150r·min-1的擾動強度下，吸附態磷化氫的量急劇下降，此時磷化氫的釋放占主導地位。參考文獻：[1]DevaiI,FelfodyL,WittnerI,etal.Detectionofphosphine:newaspectsofphosphoruscycleinthehydrosphere[J].Nature,1988,333:343-345.[2]GlindemannD,StottmeisterUandBergmannA.Freephosphinefromtheanaerobicbiosphere[J].EnvironSciPollutRes,1996,3:17-19.[3]GasmannG.Phosphineinfluvialandmarinehydrosphere[J].MarChem,1994,45:197-205.[4]GassmannGandSchornF.Phosphinefromharborsurfacesediment[J].Naturwissenschaften,1993,80:78-80.[5]CaoHF,LiuJA,ZhuangYH,etal.Emissionsourcesofatmosphericphosphineandsimulationofphosphineformation[J].Scie