在水体生态系统中, 溶解性有机物(Dissolved Organic Matter, DOM)一直被认为是最大的储存库。传统认为从DOM转为颗粒性有机物(Particulate Organic Matter, POM)的主要途径是由细菌的活动吸收转化而成。自透明胞外聚合颗粒物(Transparent Exopolymer Particles, TEP)的定量方法的提出以来^[1], 研究学者陆续发现TEP可直接由溶解性有机物质(尤其是胶体态)在非生物力作用下(如剪切力、气泡吸附等)自发凝聚形成^{[2, 3]}, 逐渐认识到TEP连接了水体中溶解性物质库与颗粒性物质库, 是DOM转为POM的非生物途径, 并被证实其在海洋中是一个极其主要的转化途径^{[4, 5]}。

TEP普遍存在于各类水体中, 尤其是在过去20年中相继受到海洋学家的广泛研究。但是相比海洋中TEP的广泛深入研究, 关于淡水生态系统中的TEP研究则相对较少。但也见有相关文献报道, 如Leppard等^[6]于1977年通过透射电子显微镜观察到淡水中存在大量的微纤维, 该形状与Alledredge等^[1]研究的染色TEP镜检时的图片相似, 并相继在1995年报道湖水中存在着大量酸性多糖的纤维状物质^[7]。此后, TEP在淡水体系中的研究也陆续有所报道, 如丹麦的Frederiksborg湖^[8]、德国的Constance湖^[9]、以色列的Kinneret湖^[10]、以及Danube河^[11]等。国外河口区TEP的研究仅见Wurl等^[12]与Wetz等^[13]的报道。

孙军^[14]于2005年就海洋中的透明胞外聚合颗粒物TEP的定义、测量方法、来源、形成及其与浮游植物的关系和其生态功能作了介绍, 以期引起国内相关研究学者的重视。但就目前查阅的文献来看, 国内相关的研究仍然寥寥无几, 仅见台湾周围的海域进行了TEP的调查及控制因子的分析研究^[15], 而由马丽丽等^[16]发表在《海洋学报》报道的则是利用中国第四次北极科学考察之际, 调查了北白令海中TEP的含量分布。其他的则是关于河口TEP的研究报道^{[17, 18]}。而国内淡水体系中湖泊方面的TEP调查及研究还尚属空白。

因此, 本文就TEP的特性及丰度分布等做了综述, 并着重介绍国外TEP在淡水体系中的研究及TEP在水处理工程上的应用, 以期引起国内相关研究者的关注。

自1993年由美国海洋学家Alldredge等^[1]通过染色发现了透明微粒颗粒物, 并提出了观察测定TEP的方法, 大多数研究都集中在浮游植物及细菌产生TEP的研究^[19]。TEP主要与浮游植物及浮游细菌相关^{[4, 20, 21]}, 相当量的TEP来自藻类固着性胞外聚合物^[20]及细菌黏液^[19], TEP也可能来自藻类及蓝藻衰亡期的残体^{[9, 22, 23]}。但也有报道陆续称TEP可由大型有机体产生, 诸如大型藻类褐藻裙带菜(Undaria pinnatifida)^[24]、美洲牡蛎(Crassostrea Virginica)^[25]、大型藻类残体^[26], 以及摄食悬浮物的底栖生物如蓝贝(Mytilus edulis)、海湾扇贝(Argopecten irradians)、拖鞋蜗牛(C. fornicata)、海鞘(Ciona intestinalisandStyela clava)等^[27]。作者^[28]通过调查大型浅水富营养化太湖水体中的TEP得出, 夏秋季在蓝藻暴发严重的太湖北部区域, TEP的分布特征与浮游植物生物量的分布较为相似, 在太湖北部都呈现出由南向北的递增趋势, 并通过室内纯培养实验论证了蓝藻优势种微囊藻可分泌大量的TEP, 纯种培养条件下的铜绿微囊藻细胞产生的TEP均值为15 pg/cell。

TEP主要通过2个不同的途径形成：①通过溶解性的TEP前体自发凝聚形成; ②直接由细胞的固着胞外多糖物质的脱落形成。前者在海洋系统中可能是主要的途径^[29], 但是在淡水系统中, 有研究表明由溶解态物质自发凝聚形成的途径作用有可能并不显著^[10]。Berman等^[22]使用显微镜镜检观察到Kinneret湖泊中阿尔辛蓝染色的凝聚体部分来自颗粒物残体, 相似的现象也见于Grossart等^{[9, 10]}关于Constance湖及Kinneret湖的报道。但这些镜检的大部分都是大型凝聚体, 而对于小型凝聚体TEP由溶解性物质直接形成的现象还未在湖泊中得到直接验证, 此现象还需学者进一步研究。鉴于TEP的形成可由胞外聚合物(extracellular polymeric substances, EPS)库中的其他形态(如溶解态、固着在细胞表面的EPS)之间的转化而成。因此TEP与EPS库其他形态之间的关系也需进一步完善及探究。

在法国Pavin湖与Aydat湖泊中, 有研究学者观察到TEP浓度与叶绿素显著相关^[30], 但在Kinneret湖中Berman等^[22]并没有发现TEP丰度、浓度与浮游植物生物量或叶绿素a浓度呈现显著的相关关系。Constance湖中TEP的丰度与浮游植物也没有很明显的相关性^[31]。且西班牙的贫营养水库中TEP与叶绿素浓度或细菌丰度均无显著相关, 并表明其原因的复杂性, 比如浮游植物群落的组成及生理状态都会影响TEP的形成^[32]。这说明TEP的形成与分布受多种因素影响。

综合以往文献, 可将影响因素归纳为2大类：即生物因素作用与非生物作用。

TEP为凝胶体状, TEP由表面活性且富含有大量共价的硫酸根及羧基的酸性多糖组成^{[3, 47]}, 介于颗粒型及溶解性物质的界面处, 故同时具有两者的特征。其主要特点如下：

(1) 低密度：由Azetsu-scott等^[48]第一次估算了不含任何固态颗粒物的纯TEP的密度为0.7 ’ 0.84 g/cm³。

(2) 高黏性：一般情况下, TEP的黏性普遍要 > 0.1。Logan等^[49]通过模拟海水中试实验, 估算出TEP的黏性高达0.21, 此高黏性可影响水体中颗粒物质的凝聚沉降速率。TEP的黏性比浮游植物或矿物颗粒的黏性要高2’ 4个数量级^{[4, 50]}。但也存在着TEP并不是很黏的情况^{[33, 51]}。高黏性的特征使TEP能聚集其他更多的常规颗粒物(如细菌, 浮游植物及残体)从而进一步来促进大型聚集体如“ 海雪” 与“ 湖雪” 的形成^[52]。

(3) 高碳氮比：TEP在生态系统中作用较为特殊, 具有高碳氮磷含量。TEP的平均碳氮比为26, 远远高于雷德菲尔德比(106：16)^[4]。

(4) 负电荷：TEP呈现负电荷, 常常富含海藻糖及鼠李糖^[3], 能够吸附其他有机分子及微量金属。

根据目前的文献来看(表1), 淡水水体中的TEP浓度可通过镜检测定, 其浓度数量级范围为10⁴’ 10⁸ 个/L, 而通过分光光度比色法测定的浓度(以黄原胶物质的量计算)数量级为10 ’ 10⁴ μ g/L。一般而言, TEP浓度高峰值往往出现在浮游植物的暴发期^{[9, 36, 52, 53]}。海洋中富营养化越高的地区, TEP浓度越高, 其次为近岸区域, 而大洋中TEP浓度相对最低, 故沿海地区TEP浓度往往要高于开敞海洋区域^{[33, 40]}。在湖泊中也呈现营养化水平越高的水体中TEP就越高的规律^{[30, 54]}。如表1所示, 总体而言, 富营养化水体中的TEP含量要大于贫营养化水体。Worm等^[8]研究推测, Frederiksborg Slotss Φ 湖中的TEP含量很可能与其湖体的富营化状态相关。与以往研究相比, 本研究也得出太湖富营养水体中TEP的浓度较高(表1)。这可能是因为富营养化水平越高, 藻类尤其是蓝藻生物量越急剧增加, 从而导致TEP的含量也相应增加。高丰度TEP存在于水体中, 意味着对生态系统的影响力也将增加。尤其对于蓝藻水华猖狂暴发的水体, TEP具有高黏性的特征, 可吸附水体各种有机无机物质聚集沉降脱离水体^[55], 影响着水体营养盐循环, 继而又可影响蓝藻水华过程。

由于低盐度能够增加等电荷颗粒之间的静电排斥^[56], 假设其他条件都一样, 鉴于淡水水体中的盐度低于海水水体, 因此淡水水体中颗粒物的黏性则会更低。且颗粒物的黏性控制着颗粒物大小的分布, 低黏性则降低了小颗粒物碰撞聚集形成更大颗粒的可能性^[57], 进而可影响TEP的形成。但据Worm等^[8]的计算结果, 淡水体系中颗粒物的相对黏性并不比海水体系中的黏性低。Worm等^[8]测定了富营养化湖泊Frederiksborg湖中的由阿尔辛蓝染色的透明颗粒物, 得出其夏季的丰度比海洋中的至少要多一个数量级。该作者分析其原因并推测出高浓度的透明颗粒物质可能与其所研究的湖泊水体富营养化有关。De Vicente^[46]通过调查2种不同地理类型的内陆湖泊群体(分别为美国北部温带湖泊(24个)及西班牙南部的地中海湖泊(8个))的TEP含量, 结果表明这两类水体的TEP含量要高于比海洋水体, 且变化范围也较大。这说明淡水水体中的TEP的来源形成途径与海洋中可能具有一定的差异性, 还需研究学者进一步验证与探讨。

Table 1

表1

Table 1(表1)

Table 1 TEP concentrations in freshwaters 表1 淡水体系中TEP的浓度 淡水体系 TEP丰度; 镜检计数法测定/(个/L) TEP浓度; 分光光度法测定/(μ g/L) 颗粒直径大小/μ m 营养水平状况 参考文献 Quentar水库 (西班牙) 1.9 ’ 335.2 (48.0) 贫营养型 [32] Pavin湖 (法国) 1.90× 105 ’ 1.340× 106 贫营养型 [58] 3.0× 104 ’ 7.60× 105 (3.20× 105) 2 ’ 20 [30] Constance湖 (德国) 7.1× 104 ’ 2.554× 106 中营养型 [31] 8.60× 105 > 5 [49] 2.3× 106 [10] 1.3× 106 ’ 2.3× 106 [9] Kinneret湖 (以色列) < 6.90× 105 ’ .915× 106 中营养型 [10] 4.40× 105 ’ 2.5× 107 48 ’ 1160 (219) [22] 759 ’ 2385 (1605) [59] Frederiksborg Slotssϕ 湖 (丹麦) 8.4× 107 ’ 8.7× 108 (3.64± 2.49× 108) 3 ’ 162 富营养型 [8] Aydat湖 (法国) 1.16× 106 ’ 3.11× 106 (2.01× 104) 2 ’ 20 富营养型 [30] 珠江口 (中国) 521.5 ’ 1727.4 (988.6) [18] 北部温带湖泊群 (美国) 36 ’ 1462 [46] 地中海湖泊群 (西班牙) 66 ’ 9038 [46] Neuse 河口 (美国) 805 ’ 1801 [13] Danube河 (奥地利) 5× 107’ 4× 108 > 1 [11] 太湖 (中国) 0 ’ 5190 (1100) 富营养型 笔者研究 (暂未发表) 注：表格中括号内数值代表平均值。

Table 1 TEP concentrations in freshwaters 表1 淡水体系中TEP的浓度

目前研究学者都有一个共识：TEP在水生生态系统中的功能是极其重要的。在海洋与淡水中, 大量的TEP通过改变凝聚动力学, 从而影响着颗粒物的动态变化, 为海洋环境的生物化学组成部分(包括细菌、浮游植物、碳以及活性微量元素)提供了重要的媒介^[48]。

TEP因具有低密度的特性, 能延长水体中固体颗粒物的停留时间, 继而影响着水体中的碳循环, 影响着吸附在聚集体上的活性元素, 进一步可影响者水体中的营养元素循环^[48]。TEP可直接通过聚集沉降作用在有机物通量中起着重要的作用^[60], 该作用在湖泊中也得到证实^{[10, 37]}。透明颗粒物在水生态系统中利用自身的高黏性形成大型凝聚体(如“ 湖雪” 、“ 海雪” ), 促使物质的沉降或水平迁移, 为微生物提供栖息地, 从而影响细菌的组成和分布^{[30, 54]}, 影响着水体中的营养盐循环。TEP作为小型捕食者的食物来源, 还可吸附微量元素。湖体中存在高浓度的TEP现象也说明, 这些透明颗粒物在湖泊生态系统中也如同海洋中的TEP一样扮演着关键及动态的角色^[22]。在淡水体系中, TEP不仅参与沉降过程, 在细菌及原生动物的动态变化(如分布)中也起着重要作用^[58], 并且影响着整个微生物食物网结构^[61]。

TEP由于具有高碳氮比的特点, 故对有机碳有着重要的贡献, 是水生系统中颗粒性有机物质的一个重要的库。在淡水系统中, De Vicente^[32]第一次估算了TEP在贫营养淡水水库中由于聚集沉降作用引起的碳输出, 并估算出TEP对碳输出至沉积物中的比例值大约0.02 % ’ 31 %。并于2010年发表了调查地中海湖泊及北部温带湖泊(共32个)的文章, 得出TEP所占总颗粒性碳分别平均可达36 %, 33 % ^[46]。笔者刘丽贞^[28]通过调查分析估算出整个太湖全年TEP均值占总POC的25 %, 其中夏季较高, 均值占POC可达40.5 %。在海洋上层水体中TEP会影响颗粒物活性化学物诸如Th等的变化^[62], ²³⁴Th是自然发生的放射性同位素, 一直被广泛用于研究于海洋上层中的颗粒物及碳的化学清除及转移。Santschi等^[63]研究证实了颗粒性有机碳(POC)/²³⁴Th的比值为POC中的酸性多糖所控制, 而TEP的主要活性多糖就是酸性多糖, 因此TEP对水体中的POC有着重要的影响。彭国安等^[17]研究河口TEP的结果也表明, 当用²³⁴Th-²³⁸U等方法估算POC的输出通量时, 需对TEP的作用及影响予以重视。目前, 全球碳循环研究是全球变化科学中的研究重点, 水体生态系统作为一个重要的碳库之一^[64]。鉴于TEP对水体生态系统的碳循环有着极其重要的贡献, 而湖泊及海洋体系在全球分布的广泛性, TEP的重要性大至可对全球碳循环收支产生影响。

众所周知, 胞外聚合物(EPS)在水处理中扮演着极其重要的角色, 是环境工程中活性污泥、生物膜及颗粒污泥的主要成分。而TEP可能作为EPS的一种特殊的浮游形态, 因其在水体中透明状态, 关于TEP在水处理中的研究一直被忽略。尽管在20世纪90年代以来TEP在海洋体系中一直得到广泛的研究, 但一直到2005年, 才被一位以色列水生微生物学家Berman^[65]提出：TEP在水处理中也应得到重视。他指出TEP在水源性水体中能促进膜表面的生物膜生长发展, 并推测其在生物膜初期及生长过程中会起着关键的作用, 但在许多其他过滤系统应用时如反渗透、超滤系统中又会导致生物积垢从而影响过滤效果, 故指出TEP的浓度可作为判断过滤处理效率的一个指标。而后在2007年Berman^[66]又与海洋学家Uta Passow一起在Nature上发表声明TEP是水生环境生物膜形成过程中的 一个不可忽视的因素, 并进一步指出认识TEP在生物膜形成中的作用是对水体环境生物膜形成过程的复杂性的一个全面了解, 也是对全球水处理中减轻生物积垢在水处理中的有害影响的一种贡献^[65]。Bar zeev等^[67]通过比较TEP附着形成的膜与单个细菌附着分泌的EPS得出, TEP才是早期生物膜形成的重要来源。此后诸如关注这方面的研究学者主要是由最先开始注意TEP在水处理中应用的Berman Tom合作发展起来的一系列研究学者：Bar Zeev ^{[67, 68]}、 Kenney MD ^[69]、 Villacorte LO ^[70]、Eshel G ^[71]等。

TEP研究主要集中在海洋和河口海湾, 然而随着淡水湖泊的富营养化增加, 藻类大量生长, 藻类或者细菌等微生物大量增加, 势必TEP的丰度也会随之大量增加。作者已在蓝藻暴发频繁的典型富营养化湖泊太湖中开展了TEP的相关研究, 并已证实到蓝藻暴发季节期间太湖水体中的TEP含量较高。这意味着, 蓝藻水华暴发时期, 大量的TEP产生与蓝藻暴发是耦合相关的。由于TEP具有高黏性的特点, 势必也将会影响蓝藻水华的消退过程。故TEP与蓝藻水华暴发整个过程是相辅相成的, 鉴于湖泊富营养化的严峻局面及藻类水华暴发频发的现状^[72], 研究淡水水体中TEP的意义, 研究TEP的归趋及循环, 探索TEP在蓝藻水华暴发整个过程中的作用, 有助于揭示其水华暴发及消退机制。此外, TEP对水生态系统中的碳库有着极其重要的贡献, 甚至可能对全球碳循环收支产生影响。鉴于其在淡水生态系统中的重要性, 且此方面的研究较少, TEP在内陆淡水水体中的研究应需受到足够重视。此外, 对于蓝藻水华水体的水处理工艺中, 尤其是过滤系统或生物膜工艺系统中, 需考虑EPS的特殊形态TEP的作用与影响。故未来以下研究方向是十分必要的：

(1) 研究国内典型淡水水域TEP的分布及受控因素。

(2) 鉴于海洋生态系统与湖泊的差异性, 研究淡水体系中TEP的化学组成、特性及形成机制, 并与海洋中的TEP等研究结果进行比较。研究TEP与微生物、浮游植物新陈代谢之间的关联机制, 探索其在水体(包括藻类水华暴发过程)中所扮演的角色。

(3) TEP作为EPS的特殊形态, 在淡水体系中与EPS库中其他形态之间的关系认识尚不全面, 故今后的研究需集中在对TEP的形成、降解、归趋及循环, 以及对生态系统的影响方面。

(4) 鉴于TEP的高碳氮比特性, 淡水生态系统中的TEP对碳循环也有着重要的贡献, 需就此进一步展开相应的研究。

(5) 研究TEP对各种水体各处理阶段时的影响及作用。在处理工艺中, 须考虑TEP的影响与作用。