磷(P)是水体富营养化最为常见的限制性营养盐，水体中较高的磷含量会直接导致藻华的爆发。沉积物是水环境中磷循环的载体与重要的储存库，其组成和其表面的理化性质影响着磷在沉积物—水界面上的迁移行为，同时共存的生物藻类以及溶解氧(DO)等环境因素也在很大程度上影响着沉积物对P的吸附或释放作用，进而影响着水体的生态环境质量。


已有的研究表明，藻类对沉积物磷的迁移有着直接或间接的影响：藻类对P的吸收使上覆水中的P浓度下降，致使沉积物间隙水与上覆水之间存在P浓度梯度，进而促使沉积物中的P向上覆水中扩散，而由沉积物释出的P进一步为藻类的生长繁殖提供营养源，因此沉积物释磷行为与藻类生长往往是互相促进的。Tuominen等研究发现，硅藻属细胞分解后释放出的硅还可通过与P抢占铁、铝氧化物表面的吸附位点而致使沉积物上P吸附量下降。同时，由于藻类可通过光合作用产生O2，而呼吸作用及死亡后的藻体经微生物分解则会消耗DO，从而导致藻类对水体中DO水平有着重要影响，而作为影响沉积物中磷的迁移行为的环境因素之一，DO则可通过影响铁锰氧化物和硫的氧化还原以及微生物新陈代谢等过程来实现对沉积物-水界面上磷迁移行为的影响：富氧环境下，O2作为有机质降解过程中的主要电子接受体为其有氧呼吸供能；贫氧条件下，MnO2和FeOOH等就会作为理想的电子受体而被有机质的降解所利用，此时容易发生Fe3+-Fe2+的还原反应，使原本与铁、锰氧化物结合的那部分磷溶解释放至上覆水中，且铁结合态磷(Fe-P)是沉积物向水体释放P的主要形态。


在微电极技术发展以前，传统定量水体中的溶解氧浓度多采用化学滴定方法或是借助其它仪器分析手段，存在耗时较长且难以实现在线监测的缺点。微电极优势在于能实现较高的空间分辨率并能在短时间内获得大量的数据。金汞伏安微电极最初是由George W.Luther III的研究团队研制所得，制成的Au/Hg微电极应用于沉积物中DO、S2-、Mn2+和Fe2+等氧化还原成分的现场测定。Xu等利用微电极体系对Fe、Mn等金属离子的测量，揭示了海洋环境中微生物影响金属腐蚀的一般机制；并将该微电极技术应用于厦门西港沉积物中氧化还原成分浓度梯度的测量中。


本文采用金汞伏安微电极技术，通过对藻-沉积物共存体系中溶解氧含量的实时监测，结合体系中磷的消耗情况及沉积物中磷的形态分布等，探讨藻类生长活动对沉积物-水界面上磷的迁移转化的影响。


1材料与方法


1.1沉积物样品及藻的培养


实验所用沉积物样品于2018年3月采自长江口，采集后在-20℃下冷冻保存。使用前室温解冻，自然风干，研磨后过尼龙筛，取120～200目(120～75μm)组分备用。


实验选取的中肋骨条藻(Skeletonemacostatum)是我国海域尤其是长江口水域优势的赤潮藻种，藻种由中国科学院海洋研究所提供。取一定量指数生长期的藻细胞接入盛有100 mL f/2培养基的250 mL的三角瓶中，然后将其置于温度为(25±0.5)℃，光照为3 000 lx，光暗比(L/D)为12 h∶12 h的培养箱中进行藻种的培养。


实验所用玻璃器皿全部在10%HCl溶液中浸泡24 h，用高纯水冲洗3遍后121℃高压湿热灭菌30 min。培养液选用f/2营养盐配方。培养用海水为陈化一月以上的天然灭菌海水：pH为7.9±0.1，盐度为30±1，经孔径为0.45μm的醋酸纤维滤膜过滤后121℃高压湿热灭菌30 min冷却后备用。


1.2藻类/沉积物对磷的吸收/吸附实验


取一定量对数生长期的中肋骨条藻(Skeletonemacostatum)藻种，3 000 r/min离心4 min，倾去上清液，用灭菌海水洗涤3次后接入500 mL灭菌海水中，置于与培养实验条件相同的培养箱中饥饿24 h，待其中的营养盐消耗殆尽，取适量藻样固定后采用平板计数法于显微镜下进行细胞计数，计算实验初始藻密度。研究表明，当水体中骨条藻密度>5×103cells/mL时即形成赤潮，为使实验水体在动力学实验48 h内保证为藻华发生阶段，故实验设定了三种不同初始藻密度：1.0×104、5.0×104和1.0×105cells/mL。


采用批量法测定藻-沉积物共存体系中磷的消耗速率。称取或量取一系列沉积物((0.500 0±0.000 1)g)或藻种样品于100 mL锥形瓶中，然后加入40 mL 32μmol·L-1的磷溶液(由KH2PO4和灭菌海水配制)，并按照f/2培养基的配比添加其他营养盐，处理组编号信息见表1。样品置于(25±1)℃恒温水浴振荡器中，50 r·min-1条件下振荡，振荡器上方加光照，光照强度约(2 200±100)lx，定时取样，离心分离。悬浮的藻液经0.45μm的醋酸纤维滤膜过滤分离，用磷钼蓝分光光度法测定上清液中磷的浓度，据初始磷浓度和上清液磷浓度之差求得磷在t时间段内的消耗量，以时间t为横坐标，绘制动力学曲线；沉积物残渣转移至50 mL离心管中，烘干待做磷形态分析。其中，每个样品设置2个平行样，实验处理组设计如表1所示。

表1藻-沉积物共存体系设计及编号

注：S代表沉积物；L-SC代表低藻密度；M-SC代表中藻密度；H-SC代表高藻密度。