中华环保联合会 今天是2024年06月25日

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吴丰昌院士:水生态系统中有机磷的化学组成、来源及生态效应综述

 

导读

磷(P)通过初级生产力影响水-气界面间的CO2通量,进而影响全球碳循环和生态环境变化。有机磷(Po)是水生态系统中重要的磷赋存形态,Po组成结构、迁移转化及诱导藻华暴发与其生物地球化学循环过程息息相关。本研究系统总结了近50年来全球水生态系统(海洋、湖泊、河流、水库等)中Po的研究进展,发现了Po在水生态系统中具有生物有效性的重要证据,综述了Po在多种环境介质中的生物地球化学行为及其差异性,完善了湖泊Po迁移转化的循环机理与定量模型。研究结果为制定和修订全球水质营养盐标准以及更好地认识水体富营养化及开展磷污染管控提供了重要的科学依据。



▲摘要图(来源:Springer Nature)


截至2022年10月31日,从Web of Science 核心数据库中检索到水生态系统中有机磷8,504篇文章。超过70%论文研究了湖泊和河流中的Po,Po研究呈稳步增长趋势(图1a)。30多个国家对Po进行了研究,其中,中国和美国对Po的研究占总数75.5%,主要研究内容与富营养化、模型理论、重金属、有机化学物质等有关(图1b),Po研究主要集中在氮、磷和有机质的富营养化及其环境行为方面,与碳及其动力学有关。



▲图1a:近50年来有机磷研究在水生态系统中的分布及发展趋势; b:全球主要国家和地区在湖泊和河流中有机磷的分布及与主要研究方向随时间变化的相关性(来源:Springer Nature)


液相31P核磁共振光谱(31P NMR)是Po组成结构较为理想的表征技术,该技术能够分离无机P和Po组分。无机P包括正磷酸盐、焦磷酸盐和聚磷酸盐,而Po包括单酯磷(Mono-P)、二酯磷(Di-P)和膦酸盐(Phos-P)等。Po主要组分Mono-P广泛分布于各种环境介质中,分别约占藻类和水生植物Po总量的90%和80%(图2)。藻类中Po质量浓度约为水体中溶解态磷的15.4万倍、水生植物中的5倍、沉积物中的95倍。综合比较Po在不同环境介质中的组成结构及降解情况,有助于了解内源磷污染的来源,为磷污染水体精细化管控提供科学依据。



▲图2 湖泊藻类和水生植物中有机磷的组成及其差异(来源:Springer Nature)


液相31P NMR和酶水解技术相结合发现,藻类、水生植物、沉积物中分别约有55%、58%、71%的Po具有生物有效性(图3)。藻类分解产生的正磷酸盐释放速率约为水生植物的4倍,藻类单酯磷和聚磷酸盐易于在生物细胞中积累,为细胞代谢提供能量,为藻类快速生长繁殖提供充足的养分。此外,傅里叶离子回旋共振质谱技术(FT-ICR MS)在Po分子组成结构表征方面具有广阔前景,二维1H-31P NMR光谱是识别未知单酯磷组分的重要手段,但这两种技术在Po研究中尚处于起步阶段,需要进一步研究与拓展。



▲图3 全球主要国家和地区湖泊沉积物中有机磷组成及其生物有效性(来源:Springer Nature)


本研究提出了湖泊中Po生物地球化学循环的定量机理模型,迄今为止,这是一个比较完整的湖泊Po生物地球化学机理模型,可以定量地描述Po的迁移和转化行为。该模型对认识及完善当前国际公认的磷生物地球化学循环理论具有重要参考意义。基于机理模型,定量评估了不同介质的Po对蓝藻水华的贡献(图4),结果表明,藻类、沉积物、水生植物以及水体对蓝藻水华的贡献率分别为76%、13.4%、10.5%和0.06%,证明Po在湖泊富营养化中起着关键作用,并提出了关键Po指标与湖泊富营养化水平之间的关系。



▲图4 不同环境介质中有机磷对湖泊藻华暴发的贡献及其循环过程(来源:Springer Nature)


在研究范式方面,构建了不同环境介质中Po组分和生物有效性表征的技术体系。在科学认知方面,完善了湖泊Po生物地球化学循环模型。在关键证据方面,Po不仅大量存在,而且大部分可被生物所利用,定量循环模型为湖泊内源污染控制和蓝藻暴发提供了新证据。在服务国家需求方面,制定标准应考虑Po的作用、差异和效应,建议制定差异化水质标准,才能更契合实际。

本文受到国家自然科学基金(42177400和42230713)和国家重点研发计划(2021YFC3201000和2021YFC3201001)等联合资助。本文第一作者为北京航空航天大学冯伟莹“卓越百人”副研究员,博士生导师,通讯作者为吴丰昌院士。合作作者包括北京航空航天大学王腾可硕士研究生,中国环境科学研究院朱元荣研究员、孙福红研究员,加拿大萨斯喀彻温大学皇家学会院士John P. Giesy教授。



参考文献

[1] Wu FC, Li FB, Zhao XL, et al., Meet the challenges in the “Carbon Age”. Carbon Research. 2022, 1.1. https://doi.org/10.1007/s44246-022-00001-9.

[2] Feng WY, Wang TK, Zhu YR, et al., Chemical composition, sources, and ecological effect of organic phosphorus in water ecosystems: a review. Carbon Research. 2023,2,12. https://doi.org/10.1007/s44246-023-00038-4.

[3] Feng WY, Yang F, Zhang C et al., Composition characterization and biotransformation of dissolved, particulate and algae organic phosphorus in eutrophic lakes, Environmental Pollution. 2020, 265, 114838.

[4] Feng WY, Wu FC, He ZQ et al., Simulated bioavailability of phosphorus from aquatic macrophytes and phytoplankton by aqueous suspension and incubation with alkaline phosphatase, Science of the Total Environment. 2018, 616-617, 1431-1439.

[5] Zhu YR, Wu FC, He ZQ, et al., Characterization of organic phosphorus in lake sediments by sequential fractionation and enzymatic hydrolysis. Environmental Science & Technology. 2013, 47, 7679-7687.




吴丰昌院士,中华环保联合会水环境治理专业委员会顾问委员。长期从事环境基准与标准及污染控制的理论研究、技术研发和工程实践,在水质基准理论与方法、水质基准关键技术、湖泊污染治理工程应用方面取得了创新性成果,为中国水环境标准制修订、生态安全调查和重点流域污染综合整治等多项国家重点环保任务的实施提供了科技支撑。


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