研究简介:藻类水华在全球范围内对水体生态系统的负面影响，特别是其对营养物质循环的影响。藻类水华不仅直接影响水体的生产力，还通过沉积物中的营养物质和污染物的内部负荷，持续促进水体富营养化。沉积物-水界面是物质交换和营养物质流动的关键区域，受到多种物理、化学和生物相互作用的影响。磷（P）、铁（Fe）和硫（S）是水生态系统中的关键营养物质，它们的循环对水体富营养化和藻类水华的形成具有重要影响。


磷是水体富营养化的主要贡献者，而铁是氧化还原敏感金属，对有机物的氧化和浮游植物水华的形成具有重要作用。可溶性硫化物的毒性较高，可能对生态系统产生影响。这些元素之间的沉积循环相互作用会影响其可利用性和流动性。藻类水华的增加可能导致藻类过度生长，随后藻类降解，溶解氧缺乏，最终导致富营养化和生态恶化。藻类降解后，藻类可能沉淀并在湖床上沉降，释放出丰富的颗粒/可溶/胶体营养物质到周围区域。这些过程直接促进了P、Fe和S的更高可利用性，并可能显著改变底栖环境的物理和生物特征，如溶解氧、pH值、电位、浊度和颗粒物，从而强烈修改营养物质循环。尽管如此，由于缺乏原位高分辨率监测技术，研究人员对沉积物-水界面处P、Fe和S循环的理解仍然有限。传统的采样方法可能会改变样本的原始特性，导致分析误差。DGT技术作为一种动态采样技术，能够最小化传统采样方法所带来的问题，如分析物污染和采样过程中分析物形态变化。该技术在允许高空间分辨率下进行多种溶质的原位测量方面具有独特优势，使其成为理解与关键元素相关的生物地球化学过程的强大工具。


本研究通过实验室培养实验，推进对藻类降解对沉积物-水界面P、Fe和S动态影响的理解。研究首次使用了包括微电极和两种结合DGT（ZrO-Chelex和ZrO-AgI DGT）在内的两种原位高分辨率技术，以提供P、Fe和S及相关环境因素的详细数据，重新评估藻类降解过程中这些元素的循环。研究结果有助于澄清藻类水华降解对富营养湖泊营养物质循环的贡献。


Unisense微电极研究系统的应用


Unisense微电极系统被用于测量沉积物中的氧化还原电位（Eh），Unisense微电极系统精确测量沉积物中的Eh剖面，微电极的移动和定位精度为1μm，由unisense微操控器马达控制，确保了测量的准确性.氧化还原电位（Eh）是一种关键的环境参数，用于评估沉积物中的氧化还原条件，通过比较对照组和处理组（添加藻类水华浮渣的沉积物）的Eh剖面，能够评估藻类分解对沉积物氧化还原状态的影响，这对于理解沉积物-水界面处营养物质的循环和转化至关重要。


实验结果


揭示了藻类水华分解对沉积物-水界面（SWI）处磷（P）、铁（Fe）和硫（S）循环的显著影响。研究发现在藻类分解过程中，SWI处的可溶性磷、铁和硫浓度显著增加，这一现象与藻类分解的强度和速度密切相关。特别是在培养的前8至10天内，这些元素的浓度持续上升，随后随着分解过程的减弱而逐渐下降。藻类分解不仅增加了沉积物中可溶性磷和硫的浓度，还在SWI附近形成了明显的浓度梯度，这表明藻类分解产生的营养物质在沉积物中积累，并加速了营养物质的释放。此外，藻类分解还改变了SWI附近的氧化还原条件，促进了沉积物中铁的还原和溶解，增加了可溶性铁的释放。研究还发现藻类分解过程中，沉积物中的Fe氧化还原循环是控制磷释放的主要机制。然而，在强烈的厌氧分解过程中，直接释放的磷改变了这一机制。此外，藻类分解产生的铁和硫在水柱中迅速形成黑色硫化亚铁沉淀，这可能是导致富营养湖泊中黑色水华频繁发生的原因。

图1、在培养期间水柱中SRP、可溶性Fe(II)和可溶性S(-II)的变化.

图2、实验中对照组（左）和处理组（右）沉积物剖面深度的Eh变化

图3、对照组（左）和处理组（右）沉积物-覆盖水剖面中DGT可溶性P（CDGT-P）的变化。阴影区域表示SWI上方20毫米深度的覆盖水。

图4、对照组（左）和处理组（右）沉积物-覆盖水剖面中DGT可溶性Fe（CDGT-Fe）的深度变化。阴影区域表示SWI上方20毫米深度的覆盖水。

图5、实验中对照组（左）和处理组（右）沉积物剖面中DGT可溶性S的深度变化。阴影区域表示SWI上方20毫米深度的覆盖水。


结论与展望


本研究探讨了藻类水华对湖泊沉积物-水界面（SWI）中磷（P）、铁（Fe）和硫（S）动态的未知影响。研究人员在自然环境中进行了一个中型生态实验，以研究这些影响，采用了两种新近开发的薄膜扩散梯度技术（DGT）。在藻类添加的水柱中，可溶性P、Fe(II)和S(-II)表现出类似的变化趋势。在为期16天的实验中，第7天出现了峰值浓度。实验进行到一半时，Eh值最低，表明藻类降解显著。第8天，SWI附近的DGT-可生物利用S达到了最大增加，而DGT-可生物利用P和Fe则在实验结束前持续增加。观察到可生物利用P与沉积物中可生物利用Fe和S之间的显著正相关，表明在藻类降解过程中，P的原始Fe耦合动态发生了显著变化。根据DGT剖面计算的明显通量表明，降解藻类的P和S同时释放，导致沉积物向上覆水体的双向扩散通量。相比之下，沉积物作为可生物利用Fe的主要来源，因其深度增加和明显的正通量。本研究首次使用了unisense微电极系统结合DGT（ZrO-Chelex和ZrO-AgI DGT）在内的两种原位高分辨率技术，以提供P、Fe和S及相关环境因素的详细数据，重新评估藻类降解过程中这些元素的循环。研究结果有助于澄清藻类水华降解对富营养湖泊营养物质循环的贡献。这项研究对于理解藻类水华对水体生态系统的长期影响具有重要意义，并为湖泊管理和富营养化控制提供了科学依据。