Interactions between Lanthanum-Modified Bentonite(LMB) and Benthic Macroinvertebrates with Varied Bioturbation Modes

鑭改性膨潤土（LMB）與不同生物擾動模式的底棲大型無脊椎動物之間的相互作用

來源：ACS EST Water 2025, 5, 177-187

《ACS環境科學與技術：水》2025年第5卷，第177-187頁


摘要內容：

摘要探討了鑭改性膨潤土（LMB）在富營養化湖泊中用于控制沉積物內源磷時，與底棲大型無脊椎動物的相互作用。研究選取三種典型生物擾動模式的物種（顫蚓 Branchiura sowerbyi - 上運型、搖蚊 Chironomus flaviplumus - 廊道擴散型、蘿卜螺 Radix swinhoei - 生物擴散型），通過微宇宙實驗發現：

大型無脊椎動物不影響LMB整體除磷效率，但導致LMB在沉積物中垂直重分布（BS > CF > RS）。


BS的強烈擾動可能降低LMB在沉積物-水界面（SWI）的除磷效果，但增強深層沉積物固磷能力；CF在表層形成孔洞和通道，破壞LMB覆蓋層完整性；RS對LMB擾動最小。


LMB抑制RS和CF的生長繁殖并增加死亡率，但BS雖富集鑭卻無顯著生存影響。


研究目的：

評估不同生物擾動模式的底棲大型無脊椎動物如何影響LMB的磷去除效率、鑭（La）遷移性，以及LMB對生物的生態毒性，為湖泊修復中LMB應用提供生態風險評估依據。


研究思路：

實驗設計：設置8組微宇宙處理（對照組、單物種組、LMB組、LMB+物種組），模擬沉積物-水系統（沉積物8cm，上覆水16cm），添加LMB（按沉積物活性磷與La摩爾比1:1）。


生物擾動模式：選取BS（上運型，擾動深達20cm）、CF（廊道擴散型，0-4cm筑U型孔道）、RS（生物擴散型，SWI表層活動）。


監測指標：36天實驗期內定期檢測水體和沉積物參數，實驗結束分析生物響應。


數據分析：通過重復測量方差分析（ANOVA）比較組間差異，評估生物擾動對LMB效能及生態風險的影響。


測量的數據及研究意義（標注來源圖/表）：

上覆水磷濃度（圖1A-B）：監測PO?3?和TP動態，反映LMB除磷效率及生物擾動對其影響。BS顯著增加上覆水TP（0.22 mg/L），表明其擾動降低SWI處LMB控磷效果。

孔隙水與沉積物磷分布（圖1C-D、圖3）：

孔隙水PO?3?（圖1C）：生物擾動促進沉積物深層磷向上遷移。

沉積物TP及磷形態（圖3）：BS使表層（0-1cm）活性磷（Pmobile）升高（350 mg/kg），深層（3-9cm）降低，表明擾動導致LMB-P復合物深埋。


鑭（La）遷移性：


上覆水La3?/TLa（圖4A-B）：RS處理La濃度最高（25.9 μg/L），BS最低（20.0 μg/L），反映生物擾動促進La-P結合沉淀。

沉積物TLa分布（圖4D）：BS使LMB層下移（3-5cm濃度1356 mg/kg），證明其強垂直混合作用。


生物響應：


死亡率：LMB使RS和CF死亡率分別增加39%和75%。


生長繁殖：RS體長增長受抑（LMB組9.8 mm vs 對照組29.7 mm），CF羽化數量減少（LMB組7 vs 對照組12）。


BS生物標志物：CAT和GST活性升高（活性比1.4-1.5），表明氧化應激響應，但無死亡率變化。

溶解氧（DO）滲透深度：使用丹麥Unisense微電極（分辨率100μm）測量，BS顯著降低SWI處DO濃度，促進沉積物Fe3?還原為Fe2?，解釋磷釋放機制。


結論：

LMB效能：大型無脊椎動物不改變LMB整體固磷量（各組TP沉積量無顯著差異），但通過垂直重分布影響局部磷循環。


物種特異性擾動效應：


BS（上運型）：深埋LMB（深達8cm），降低SWI除磷效率但增強深層固磷；顯著降低上覆水La濃度。


CF（廊道擴散型）：短期破壞LMB層完整性，促進孔隙水交換，輕微影響除磷。


RS（生物擴散型）：對LMB擾動最小，但導致上覆水La濃度較高。

生態風險：LMB抑制RS和CF的生長繁殖并增加死亡率；BS雖富集鑭（組織La濃度32.7 mg/kg）且擾動最強，但無顯著生存影響，可能與耐受性相關。


應用建議：需關注多物種共存對LMB的長期影響，尤其顫蚓類高密度存在時的LMB深層遷移風險。


丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義：

Unisense微電極以高分辨率（100μm）測定沉積物DO滲透深度，其意義在于：

揭示氧化還原狀態：BS的深孔道灌溉增加深層沉積物氧滲透，促使Fe2?氧化為Fe3?并形成氫氧化鐵結合磷，但實驗中發現BS處理SWI處DO降低（因有機質礦化耗氧），導致Fe3?還原為Fe2?并釋磷。


解釋磷釋放機制：DO分布數據與孔隙水Fe2?升高（圖S6）直接關聯，證實生物擾動通過改變沉積物氧化還原條件影響磷形態轉化（如鐵結合磷釋放）。


量化擾動強度：DO剖面變化反映不同生物（BS > CF > RS）的擾動深度差異（圖2F），為評估LMB層破壞程度提供依據。