水产养殖池塘中水-颗粒相互作用下的磷与有机物的多相耦合

《Journal of Hazardous Materials》：Multiphase Coupling of Phosphorus and Organic Matter across Water–Particle Interaction in Aquaculture Ponds

　　佛罗里达大学农业与生物工程系，美国佛罗里达州盖恩斯维尔市32611号

摘要：悬浮颗粒物在调控磷和有机质循环中的作用至今仍不清晰。2024–2025年期间，我们研究了21个鲶鱼养殖池塘在四个季节中的情况，以量化季节性和颗粒大小如何影响磷与有机质的相互作用。水样被分为五个悬浮颗粒大小组分（>1,000、1,000–450、450–100、100–50以及50–1纳米）以及真正溶解相（<1纳米）。我们结合赫德利顺序萃取法、31P核磁共振光谱技术以及荧光激发-发射矩阵-平行因子建模方法，来分析不同尺寸的磷库、分子层面的磷特征，以及溶解态与颗粒态有机质之间的相互作用。颗粒质量存在显著的季节性变化，夏季的颗粒负荷明显更高，而秋季的颗粒丰度则低一个数量级。赫德利萃取结果显示，可被NaOH提取的磷在颗粒态磷库中占主导地位，而纳米颗粒则富含可交换性磷成分（可被水和碳酸氢钠提取的磷）。这些结果表明颗粒质量与磷的反应性之间存在脱钩现象，纳米颗粒作为高反应性的中间体，有助于实现溶解态与颗粒态磷的快速交换。31P核磁共振检测到所有尺寸组分中都存在正磷酸盐，而有机单酯磷则主要存在于较大的亚微米颗粒中，在<100纳米的颗粒组分中则几乎检测不到或含量极低。EEM–PARAFAC分析进一步表明，较高的溶解态磷含量与类似蛋白质且易分解的有机质特征相关，这说明在高磷条件下，微生物对有机质的处理能力增强，有机质相关的养分循环也更为活跃。我们的研究结果表明，纳米颗粒作为溶解态与颗粒态磷交换的活性中间体，而有机质的组成及微生物的转化过程则进一步影响颗粒态磷的生物有效性。

引言：磷的富集已成为淡水系统中最普遍的胁迫因素之一，其主要来源包括农业径流、废水排放、水产养殖活动以及流域侵蚀[25]、[26]。过量的磷负荷会导致水体富营养化，降低溶解氧含量，引发有害藻华，破坏水生食物网，从而带来严重的经济、生态和社会后果[29]。尽管诸如《五大湖水质协议》之类的长期养分管理计划已经大大减少了外部磷的输入[12]，但在总磷浓度较低的情况下，水体富营养化、缺氧以及水质恶化现象仍然时有发生[18]。这些持续存在的问题表明，仅通过测量水柱中的总磷浓度并不足以评估生态系统的功能与恢复能力，因此有必要进一步了解水柱中磷的不同形态、其与不同颗粒大小的关联以及其对生物的生物有效性[32]。

磷在真正溶解相（<1纳米）、悬浮颗粒物以及沉积物之间的迁移决定了湖泊及其他浅水生态系统中的磷有效性。颗粒物并非单纯的惰性载体，即便溶解态磷较为匮乏，它们也能储存大量可水解的有机磷和易分解的无机磷，为浮游植物的生长提供养分[15]。然而，传统的基于过滤的方法（如使用0.45微米孔径的滤膜）低估了小尺寸胶体（450–1纳米）在水质监测中的作用，因为这类胶体具有较大的比表面积和较高的表面反应性[13]。如今，这些小颗粒已被认为是重要的生物地球化学驱动因素，它们能够吸附、释放、运输并转化活性磷，从而调控生态系统内的养分循环。因此，采用基于物理定义的颗粒大小分类方法（以1纳米作为溶解态与颗粒态的分界点），而非传统的过滤截留标准（0.45微米孔径滤膜），能够更全面地理解水中磷的分配、移动规律及其生物有效性[19]。

有机质在调控磷循环中起着核心作用，它通过参与磷的吸附、络合以及微生物转化过程来影响磷的循环[35]。在富营养化条件下，类似蛋白质和腐殖质的溶解态有机质含量会增加，进而促进磷的配体交换、胶体稳定性以及微生物对磷的矿化作用[10]、[6]。由藻类、碎屑和微生物产生的颗粒态有机质也可以作为无机磷和有机磷的主要载体。中国太湖的最新研究表明，富营养化不仅会增加溶解态和颗粒态有机质的浓度，还会加强有机质与磷之间的耦合作用，从而促进溶解态与颗粒态磷之间的交换[9]。这些研究结果共同表明，溶解态有机质和颗粒态有机质的组成及反应性会显著影响水体内的磷负荷及其生物有效性。不过，在小型、集约化管理的水产养殖池塘中，这种有机质与磷的耦合作用是否存在以及程度如何，目前仍不清楚。

要了解磷的循环机制，还需要在分子层面识别不同的磷物种。溶液态31P核磁共振光谱技术可以测定溶解态和颗粒态中各种形式的磷，包括正磷酸盐、单酯磷、二酯磷、膦酸盐、焦磷酸盐以及多磷酸盐[4]。此外，赫德利顺序萃取法是一种常用的分步分离技术，它能将磷分成不同结合强度的组分，从而区分出不同稳定性和潜在藻类可利用性的磷形式（从最易利用到最难利用的形式，如可被水、碳酸氢钠、氢氧化钠以及酸提取的磷）。近年来，人们越来越倾向于将31P核磁共振光谱技术与赫德利顺序萃取法结合起来，以便在分子层面更深入地了解磷的生物有效性和循环机制。例如，通过这两种方法的结合分析，人们发现颗粒态有机磷能够迅速发生水解，为湖泊系统提供大量的生物可利用磷，进而推动富营养化的发生[23]。

水产养殖池塘虽然可以视为浅水湖泊的类似环境，但其在地质、水文、养分周转率以及管理强度方面都与湖泊存在差异。美国东南部，尤其是阿拉巴马州的鲶鱼养殖池塘，在经济上具有重要意义，但这些池塘却越来越容易出现有害藻华、高浊度以及水质恶化的问题[2]。这些池塘中积累了大量的悬浮颗粒物，这些颗粒物来源于剩余的鱼饲料、浮游植物生物量、粪便以及微生物聚集体[19]。从水文角度来看，池塘水体的水量平衡主要受人为控制的进水、降水、蒸发以及间歇性排水等因素的影响，而非持续的径流。因此，颗粒物的滞留时间以及排水的频率决定了颗粒物的积累程度、养分的积累情况以及体内养分循环的时机[36]。在温暖季节，蒸发作用以及有限的水体交换会导致悬浮颗粒物和溶解态物质的浓度升高，而强降雨则可能带来短期的径流带来的颗粒物，或者促使沉积物重新悬浮[8]。再加上饲养强度和生物生产活动，这些水文因素共同决定了悬浮颗粒物的特性，进而影响磷在不同尺寸颗粒间的分配以及有机质与磷的耦合关系。不过，目前尚不清楚磷和有机质在不同物理尺寸的颗粒组分中的分布情况，这些组分在不同季节之间有何变化，以及它们如何影响生态系统内的养分循环。尤其值得注意的是，目前还没有研究专门探讨水产养殖池塘中不同尺寸的磷库情况，这些尺寸包括大颗粒（>1,000纳米）、胶体颗粒（1,000–100纳米）和纳米颗粒（100–1纳米），以及真正溶解相（<1纳米）。

为填补这些知识空白，我们在阿拉巴马州西部21个商业化运营的鲶鱼养殖池塘开展了为期一年的研究。我们收集了水样，并将其按尺寸分为六类：>1,000纳米、1,000–450纳米、450–100纳米、100–50纳米、50–1纳米（这五类属于悬浮颗粒物），以及<1纳米（真正溶解相）。我们假设，虽然悬浮颗粒物构成了大量的磷库，可能在养殖池塘中促进藻华的生长，但不同尺寸颗粒组分对磷的贡献并不相等，而且这种差异主要与有机质的组成有关。为了验证这些假设，我们研究了不同尺寸颗粒组分中的磷和有机质的形态特征。本研究旨在：（1）分析一年内不同尺寸颗粒组的颗粒质量随季节的变化情况；（2）阐明不同尺寸颗粒组分中的磷和有机质形态特征；（3）通过结合溶液态31P核磁共振光谱、赫德利顺序萃取法以及荧光激发-发射矩阵光谱技术，比较这些组分中磷的生物有效性差异。我们的研究结果有助于更好地理解富含养分的养殖池塘中磷的转化机制以及藻华形成的原因。

研究区域与水样采集：由于鲶鱼养殖池塘是美国规模最大、管理最为集约化的水产养殖场所之一，因此我们选择将其作为研究模型。这类池塘的磷和有机质输入量受到管理措施的影响较大，比如鱼饲料的使用、施肥、曝气以及排池/捕捞操作等[13]，因此，这些池塘在悬浮颗粒物含量、有机质特征以及磷的分配方面存在较大的地理、环境及生产力差异。我们在21个正在使用的鲶鱼养殖池塘中进行了研究……

21个鲶鱼养殖池塘在四个季节中的颗粒质量浓度：21个池塘中的颗粒浓度存在明显的季节性和池塘特异性变化（见图2、补充图S3以及补充表S2–S3）。如果将所有池塘的数据汇总起来（见补充图S4），则总颗粒浓度在夏季达到峰值，随后在秋季急剧下降，冬季则保持较低水平（见图2）。这一变化趋势与温度变化密切相关，因为在夏季，生物生产力以及水产养殖产量都会增加，这一现象与我们最近的……

结论：通过分子生物学、光学分析以及颗粒尺寸分类分析等多种方法，我们发现鲶鱼养殖池塘中的磷生物有效性取决于磷在溶解态与颗粒态之间的分配和转化过程。在生长旺盛时期，小型聚合颗粒中更易检测到单酯磷，这说明生物体产生的磷会被主动整合到新的生物组织以及碎屑物质中，而焦磷酸磷则在环境条件较差时更为常见……

环境意义：本研究表明，在养分丰富的 aquatic系统中，尤其是商业水产养殖池塘中，纳米级的悬浮颗粒物发挥着至关重要的作用。在有机质腐解和转化过程中，高生物有效性的磷可以通过胶体颗粒进行转移，而纳米颗粒则充当着活跃的交换节点。对于那些因藻华而面临渔业和水产养殖生产力下降的地区来说，这些研究结果具有重要意义。除了限制鱼饲料等外部磷的输入之外，有效的管理措施也至关重要……

未标注参考文献[22]

CRediT作者贡献说明：安德鲁·R·齐默尔曼：写作——审阅与编辑，资源准备。哈洛·S·克拉默-杜：数据整理。莎拉·E·赖斯：写作——审阅与编辑，数据整理。孔祥成：写作——初稿撰写，结果验证，研究实施，正式分析，数据整理。邓军：写作——审阅与编辑，研究指导，资源准备，项目管理，方法设计，资金获取，概念构思。艾伦·E·威尔逊：写作——审阅与编辑，研究指导，资源准备，项目管理，资金相关事宜。

利益冲突声明：作者们声明不存在任何利益冲突。

致谢：我们感谢马修·格拉德费尔特和艾丽莎·K·杰弗科特在本次研究中所给予的帮助。本研究得到了美国农业部国家食品与农业研究所的支持，项目编号为2024-67019-42686，项目名称为“阐明鲶鱼养殖池塘中藻类的养分负荷及其生物有效性，以实现可持续水产养殖”；同时还得到了研究能力基金（Hatch）的支持，项目编号为7008792。此外，本研究还得到了美国农业部农业研究服务局的支持，相关合作协议编号为……