大量研究表明，富营养化湖泊中蓝藻衍生的有机碳会加剧沉积物中温室气体，尤其是CH4和CO2的产生和释放，然而该现象的具体过程和驱动机制仍缺乏深入了解。本研究对长江中下游流域湖泊群开展了大尺度调查，并通过同位素标记法构建“蓝藻-水-沉积物”的微宇宙系统，进行了长达一年的蓝藻衰亡模拟实验。结果表明，富营养化湖泊中蓝藻的衰亡促进了CH4和CO2的排放，且沉积物中有机碳浓度与孔隙水中溶解的CH4和CO2浓度呈显著正相关关系。微宇宙系统中同位素示踪进一步表明藻源性有机碳的输入导致了表层沉积物中有机碳的显著提高，并在表层沉积物上形成了藻积层。藻积层的厌氧和高有机质环境增强了表层沉积物中生物源性CH4和CO2的产生。在蓝藻聚集最为严重的微宇宙系统中，表层沉积物孔隙水中溶解态CH4和CO2的平均浓度分别达到了6.9和2.3 mol/L，超过了底层沉积物孔隙水中的4.7和1.4 mol/L，且表层沉积物中伴随着更为活跃的微生物活动。这些结果表明严重的蓝藻衰亡导致了CH4和CO2的产生热区由深层沉积物向表层沉积物迁移，其排放效率也得到了提升，从而进一步加剧了湖泊温室气体的排放。这些发现有助于对富营养化湖泊沉积物碳排放过程和机制的深刻理解。


微电极分析系统应用：


利用UDR和PDR新鲜沉积物和湖水，构建两个区域的微生物抑制和不抑制微宇宙系统。共构建沉积物-水界面烧杯微宇宙系统共4组，各组两个平行。于25℃培养10 d后利用微电极系统分析沉积物—水界面溶解氧的垂直剖面的分布。设定微电极系统电极穿刺步距为500μm，主机响应时间为3 s。

图1蓝藻衰亡改变富营养化湖泊沉积物中CH4和CO2产生热区的概念图

图2长江中下游流域湖泊群富营养化指数与（a）CH4和CO2释放通量之间的相关性；（b）与溶存态CH4和CO2之间的相关性。

图3长江中下游流域湖泊群（a）不同沉积物深度间隙水中溶存态CH4浓度；（b）不同沉积物深度间隙水中溶存态CO2浓度；（c）不同沉积物深度与溶存态CH4和CO2浓度的相关性；（d）不同沉积物TOC与溶存态CH4和CO2浓度的相关性。

图4微宇宙系统中不同蓝藻生物量添加下（a）CH4累积浓度（b）CO2累积浓度

图5微宇宙系统中不同蓝藻生物量添加下（a）不同沉积物深度TOC平均浓度；（b）不同沉积物深度δ13C平均值；（c）培养周期内TOC浓度变化；（d）培养周期内δ13C变化；（e）初始和最终δ13C值；（f）TOC和δ13C的相关性。

图6微宇宙系统中不同蓝藻生物量添加下（a）不同沉积物深度CH4溶存浓度；（b）不同沉积物深度CO2溶存浓度；（c）培养周期内CH4溶存浓度变化；（d）培养周期内CO2溶存浓度变化。

图7微宇宙系统中不同蓝藻生物量添加下（a）表层沉积物δ13C与溶存态CH4和CO2浓度的相关性；（b）底层沉积物δ13C与溶存态CH4和CO2浓度的相关性；（c）表底层沉积物中溶存态CH4和CO2浓度的影响因素；（d）蓝藻衍生碳对表底层沉积物中溶存态CH4和CO2浓度的贡献。

图8微宇宙系统中不同蓝藻生物量添加下（a）表层沉积物中初始和最终的微生物群落结构变化；（b）底层沉积物中初始和最终的微生物群落结构变化。


本研究发现了富营养化湖泊中蓝藻衰亡引起沉积物中产CH4和CO2热点区域的迁移，显著影响沉积物的碳释放能力；野外调查结果显示，富营养化湖泊表层孔隙水中CH4和CO2浓度显著升高；蓝藻衍生碳沉降在沉积物表面，形成了藻积层，导致了厌氧和高有机质环境的产生；CH4和CO2的产生热点区域向表层沉积物的迁移，提高了沉积物的碳排放效率。


丹麦Unisense微电极可穿刺水体、生物膜、颗粒污泥、植物根茎叶、液体-固体扩散边界层，研究微区、微生态的研究系统。微电极尖端仅有几微米，能刺入样品中、测量微环境、不破坏被测对象的结构和生理活性、在极短的时间内达到平衡、对流动不敏感等特点。可穿刺到对象内部检测不同深度(ppb级)的O2、H2、H2S、NO、N2O、Redox、pH、温度等指标变化。