大量研究表明，富營養(yǎng)化湖泊中藍藻衍生的有機碳會加劇沉積物中溫室氣體，尤其是CH4和CO2的產生和釋放，然而該現象的具體過程和驅動機制仍缺乏深入了解。本研究對長江中下游流域湖泊群開展了大尺度調查，并通過同位素標記法構建“藍藻-水-沉積物”的微宇宙系統(tǒng)，進行了長達一年的藍藻衰亡模擬實驗。結果表明，富營養(yǎng)化湖泊中藍藻的衰亡促進了CH4和CO2的排放，且沉積物中有機碳濃度與孔隙水中溶解的CH4和CO2濃度呈顯著正相關關系。微宇宙系統(tǒng)中同位素示蹤進一步表明藻源性有機碳的輸入導致了表層沉積物中有機碳的顯著提高，并在表層沉積物上形成了藻積層。藻積層的厭氧和高有機質環(huán)境增強了表層沉積物中生物源性CH4和CO2的產生。在藍藻聚集最為嚴重的微宇宙系統(tǒng)中，表層沉積物孔隙水中溶解態(tài)CH4和CO2的平均濃度分別達到了6.9和2.3 mol/L，超過了底層沉積物孔隙水中的4.7和1.4 mol/L，且表層沉積物中伴隨著更為活躍的微生物活動。這些結果表明嚴重的藍藻衰亡導致了CH4和CO2的產生熱區(qū)由深層沉積物向表層沉積物遷移，其排放效率也得到了提升，從而進一步加劇了湖泊溫室氣體的排放。這些發(fā)現有助于對富營養(yǎng)化湖泊沉積物碳排放過程和機制的深刻理解。

微電極分析系統(tǒng)應用：

利用UDR和PDR新鮮沉積物和湖水，構建兩個區(qū)域的微生物抑制和不抑制微宇宙系統(tǒng)。共構建沉積物-水界面燒杯微宇宙系統(tǒng)共4組，各組兩個平行。于25℃培養(yǎng)10 d后利用微電極系統(tǒng)分析沉積物—水界面溶解氧的垂直剖面的分布。設定微電極系統(tǒng)電極穿刺步距為500μm，主機響應時間為3 s。

圖1藍藻衰亡改變富營養(yǎng)化湖泊沉積物中CH4和CO2產生熱區(qū)的概念圖

圖2長江中下游流域湖泊群富營養(yǎng)化指數與（a）CH4和CO2釋放通量之間的相關性；（b）與溶存態(tài)CH4和CO2之間的相關性。

圖3長江中下游流域湖泊群（a）不同沉積物深度間隙水中溶存態(tài)CH4濃度；（b）不同沉積物深度間隙水中溶存態(tài)CO2濃度；（c）不同沉積物深度與溶存態(tài)CH4和CO2濃度的相關性；（d）不同沉積物TOC與溶存態(tài)CH4和CO2濃度的相關性。

圖4微宇宙系統(tǒng)中不同藍藻生物量添加下（a）CH4累積濃度（b）CO2累積濃度

圖5微宇宙系統(tǒng)中不同藍藻生物量添加下（a）不同沉積物深度TOC平均濃度；（b）不同沉積物深度δ13C平均值；（c）培養(yǎng)周期內TOC濃度變化；（d）培養(yǎng)周期內δ13C變化；（e）初始和最終δ13C值；（f）TOC和δ13C的相關性。

圖6微宇宙系統(tǒng)中不同藍藻生物量添加下（a）不同沉積物深度CH4溶存濃度；（b）不同沉積物深度CO2溶存濃度；（c）培養(yǎng)周期內CH4溶存濃度變化；（d）培養(yǎng)周期內CO2溶存濃度變化。

圖7微宇宙系統(tǒng)中不同藍藻生物量添加下（a）表層沉積物δ13C與溶存態(tài)CH4和CO2濃度的相關性；（b）底層沉積物δ13C與溶存態(tài)CH4和CO2濃度的相關性；（c）表底層沉積物中溶存態(tài)CH4和CO2濃度的影響因素；（d）藍藻衍生碳對表底層沉積物中溶存態(tài)CH4和CO2濃度的貢獻。

圖8微宇宙系統(tǒng)中不同藍藻生物量添加下（a）表層沉積物中初始和最終的微生物群落結構變化；（b）底層沉積物中初始和最終的微生物群落結構變化。

本研究發(fā)現了富營養(yǎng)化湖泊中藍藻衰亡引起沉積物中產CH4和CO2熱點區(qū)域的遷移，顯著影響沉積物的碳釋放能力；野外調查結果顯示，富營養(yǎng)化湖泊表層孔隙水中CH4和CO2濃度顯著升高；藍藻衍生碳沉降在沉積物表面，形成了藻積層，導致了厭氧和高有機質環(huán)境的產生；CH4和CO2的產生熱點區(qū)域向表層沉積物的遷移，提高了沉積物的碳排放效率。

丹麥Unisense微電極可穿刺水體、生物膜、顆粒污泥、植物根莖葉、液體-固體擴散邊界層，研究微區(qū)、微生態(tài)的研究系統(tǒng)。微電極尖端僅有幾微米，能刺入樣品中、測量微環(huán)境、不破壞被測對象的結構和生理活性、在極短的時間內達到平衡、對流動不敏感等特點。可穿刺到對象內部檢測不同深度(ppb級)的O2、H2、H2S、NO、N2O、Redox、pH、溫度等指標變化。