研究簡介:藻類水華在全球范圍內(nèi)對水體生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響，特別是其對營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的影響。藻類水華不僅直接影響水體的生產(chǎn)力，還通過沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)和污染物的內(nèi)部負(fù)荷，持續(xù)促進(jìn)水體富營養(yǎng)化。沉積物-水界面是物質(zhì)交換和營養(yǎng)物質(zhì)流動的關(guān)鍵區(qū)域，受到多種物理、化學(xué)和生物相互作用的影響。磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）是水生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)，它們的循環(huán)對水體富營養(yǎng)化和藻類水華的形成具有重要影響。

磷是水體富營養(yǎng)化的主要貢獻(xiàn)者，而鐵是氧化還原敏感金屬，對有機(jī)物的氧化和浮游植物水華的形成具有重要作用?？扇苄粤蚧锏亩拘暂^高，可能對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。這些元素之間的沉積循環(huán)相互作用會影響其可利用性和流動性。藻類水華的增加可能導(dǎo)致藻類過度生長，隨后藻類降解，溶解氧缺乏，最終導(dǎo)致富營養(yǎng)化和生態(tài)惡化。藻類降解后，藻類可能沉淀并在湖床上沉降，釋放出豐富的顆粒/可溶/膠體營養(yǎng)物質(zhì)到周圍區(qū)域。這些過程直接促進(jìn)了P、Fe和S的更高可利用性，并可能顯著改變底棲環(huán)境的物理和生物特征，如溶解氧、pH值、電位、濁度和顆粒物，從而強(qiáng)烈修改營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)。盡管如此，由于缺乏原位高分辨率監(jiān)測技術(shù)，研究人員對沉積物-水界面處P、Fe和S循環(huán)的理解仍然有限。傳統(tǒng)的采樣方法可能會改變樣本的原始特性，導(dǎo)致分析誤差。DGT技術(shù)作為一種動態(tài)采樣技術(shù)，能夠最小化傳統(tǒng)采樣方法所帶來的問題，如分析物污染和采樣過程中分析物形態(tài)變化。該技術(shù)在允許高空間分辨率下進(jìn)行多種溶質(zhì)的原位測量方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，使其成為理解與關(guān)鍵元素相關(guān)的生物地球化學(xué)過程的強(qiáng)大工具。

本研究通過實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，推進(jìn)對藻類降解對沉積物-水界面P、Fe和S動態(tài)影響的理解。研究首次使用了包括微電極和兩種結(jié)合DGT（ZrO-Chelex和ZrO-AgI DGT）在內(nèi)的兩種原位高分辨率技術(shù)，以提供P、Fe和S及相關(guān)環(huán)境因素的詳細(xì)數(shù)據(jù)，重新評估藻類降解過程中這些元素的循環(huán)。研究結(jié)果有助于澄清藻類水華降解對富營養(yǎng)湖泊營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的貢獻(xiàn)。

Unisense微電極研究系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極系統(tǒng)被用于測量沉積物中的氧化還原電位（Eh），Unisense微電極系統(tǒng)精確測量沉積物中的Eh剖面，微電極的移動和定位精度為1μm，由unisense微操控器馬達(dá)控制，確保了測量的準(zhǔn)確性.氧化還原電位（Eh）是一種關(guān)鍵的環(huán)境參數(shù)，用于評估沉積物中的氧化還原條件，通過比較對照組和處理組（添加藻類水華浮渣的沉積物）的Eh剖面，能夠評估藻類分解對沉積物氧化還原狀態(tài)的影響，這對于理解沉積物-水界面處營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和轉(zhuǎn)化至關(guān)重要。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

揭示了藻類水華分解對沉積物-水界面（SWI）處磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）循環(huán)的顯著影響。研究發(fā)現(xiàn)在藻類分解過程中，SWI處的可溶性磷、鐵和硫濃度顯著增加，這一現(xiàn)象與藻類分解的強(qiáng)度和速度密切相關(guān)。特別是在培養(yǎng)的前8至10天內(nèi)，這些元素的濃度持續(xù)上升，隨后隨著分解過程的減弱而逐漸下降。藻類分解不僅增加了沉積物中可溶性磷和硫的濃度，還在SWI附近形成了明顯的濃度梯度，這表明藻類分解產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)在沉積物中積累，并加速了營養(yǎng)物質(zhì)的釋放。此外，藻類分解還改變了SWI附近的氧化還原條件，促進(jìn)了沉積物中鐵的還原和溶解，增加了可溶性鐵的釋放。研究還發(fā)現(xiàn)藻類分解過程中，沉積物中的Fe氧化還原循環(huán)是控制磷釋放的主要機(jī)制。然而，在強(qiáng)烈的厭氧分解過程中，直接釋放的磷改變了這一機(jī)制。此外，藻類分解產(chǎn)生的鐵和硫在水柱中迅速形成黑色硫化亞鐵沉淀，這可能是導(dǎo)致富營養(yǎng)湖泊中黑色水華頻繁發(fā)生的原因。

圖1、在培養(yǎng)期間水柱中SRP、可溶性Fe(II)和可溶性S(-II)的變化.

圖2、實(shí)驗(yàn)中對照組（左）和處理組（右）沉積物剖面深度的Eh變化

圖3、對照組（左）和處理組（右）沉積物-覆蓋水剖面中DGT可溶性P（CDGT-P）的變化。陰影區(qū)域表示SWI上方20毫米深度的覆蓋水。

圖4、對照組（左）和處理組（右）沉積物-覆蓋水剖面中DGT可溶性Fe（CDGT-Fe）的深度變化。陰影區(qū)域表示SWI上方20毫米深度的覆蓋水。

圖5、實(shí)驗(yàn)中對照組（左）和處理組（右）沉積物剖面中DGT可溶性S的深度變化。陰影區(qū)域表示SWI上方20毫米深度的覆蓋水。

結(jié)論與展望

本研究探討了藻類水華對湖泊沉積物-水界面（SWI）中磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）動態(tài)的未知影響。研究人員在自然環(huán)境中進(jìn)行了一個(gè)中型生態(tài)實(shí)驗(yàn)，以研究這些影響，采用了兩種新近開發(fā)的薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（DGT）。在藻類添加的水柱中，可溶性P、Fe(II)和S(-II)表現(xiàn)出類似的變化趨勢。在為期16天的實(shí)驗(yàn)中，第7天出現(xiàn)了峰值濃度。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到一半時(shí)，Eh值最低，表明藻類降解顯著。第8天，SWI附近的DGT-可生物利用S達(dá)到了最大增加，而DGT-可生物利用P和Fe則在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前持續(xù)增加。觀察到可生物利用P與沉積物中可生物利用Fe和S之間的顯著正相關(guān)，表明在藻類降解過程中，P的原始Fe耦合動態(tài)發(fā)生了顯著變化。根據(jù)DGT剖面計(jì)算的明顯通量表明，降解藻類的P和S同時(shí)釋放，導(dǎo)致沉積物向上覆水體的雙向擴(kuò)散通量。相比之下，沉積物作為可生物利用Fe的主要來源，因其深度增加和明顯的正通量。本研究首次使用了unisense微電極系統(tǒng)結(jié)合DGT（ZrO-Chelex和ZrO-AgI DGT）在內(nèi)的兩種原位高分辨率技術(shù)，以提供P、Fe和S及相關(guān)環(huán)境因素的詳細(xì)數(shù)據(jù)，重新評估藻類降解過程中這些元素的循環(huán)。研究結(jié)果有助于澄清藻類水華降解對富營養(yǎng)湖泊營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的貢獻(xiàn)。這項(xiàng)研究對于理解藻類水華對水體生態(tài)系統(tǒng)的長期影響具有重要意義，并為湖泊管理和富營養(yǎng)化控制提供了科學(xué)依據(jù)。