High-resolution characteristics and mechanisms of endogenous phosphorus migration and transformation impacted by algal blooms decomposition  

藻華分解對內(nèi)源磷遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制的高分辨率特征研究  

來源：Science of the Total Environment,  820 (2022) 152907

《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)總刊》第820卷，2022年，文章編號152907  

 

摘要內(nèi)容

 

摘要指出：富營養(yǎng)化淡水沉積物在藻華期間會積累極高濃度的磷（P），但藻華分解后缺氧沉積物中活性磷的生成機(jī)制尚不明確。研究通過微宇宙實驗，結(jié)合薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（DGT）、高分辨率透析技術(shù)和16S rRNA擴(kuò)增子測序，揭示了藻華分解如何增強(qiáng)內(nèi)源磷釋放。研究發(fā)現(xiàn)：  

藻華分解促進(jìn)微生物鐵（Fe）和錳（Mn）還原；  

 

鐵錳氧化物的還原性溶解導(dǎo)致活性磷釋放；  

 

沉積物-水界面（SWI）的磷擴(kuò)散通量可歸因于藻華分解。  

 

研究強(qiáng)調(diào)內(nèi)源磷釋放受鐵錳比值調(diào)控：當(dāng)Fe(II):Mn(II) < 0.47時主要由錳控制，> 0.63時由鐵錳共同控制。  

 

研究目的

 

揭示藻華分解過程中沉積物內(nèi)源磷的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，量化其對不同湖區(qū)磷循環(huán)的影響，為富營養(yǎng)化湖泊治理提供理論依據(jù)。  

 

研究思路

實驗設(shè)計：  

 

采集太湖藻型區(qū)（ZSW）、蘆葦區(qū)（CG）和草型區(qū)（XKW）的沉積物柱樣；  

 

在環(huán)形水槽中添加藻華生物量模擬分解過程（實驗組），以未添加藻華為對照組；  

 

設(shè)置14天、42天、180天三個觀測時間點。  

技術(shù)手段：  

 

微電極原位測量溶解氧（DO）、pH、氧化還原電位（ORP）；  

 

DGT技術(shù)同步獲取活性磷、Fe(II)、S(-II)的高分辨率分布（圖3）；  

 

HR-Peeper測定溶解錳（Mn(II)）和溶解有機(jī)質(zhì)（DOM）（圖3）；  

 

16S rRNA測序分析微生物群落（圖2）。  

 

數(shù)據(jù)分析：  

 

結(jié)合理化參數(shù)、元素分布和微生物群落，解析藻華分解對磷釋放的驅(qū)動機(jī)制；  

 

計算沉積物-水界面的磷擴(kuò)散通量（圖4）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

理化參數(shù)（DO、pH、ORP）：  

 

數(shù)據(jù)來源：丹麥Unisense微電極；  

 

意義：藻華分解導(dǎo)致DO穿透深度從5 mm降至2.5 mm，pH降低，揭示缺氧環(huán)境形成和微生物代謝增強(qiáng)，為鐵錳還原創(chuàng)造條件。  

微生物群落：  

 

數(shù)據(jù)來源：16S rRNA測序（圖2）；  

 

意義：藻華分解降低pH，促進(jìn)鐵還原菌（IRB）豐度增加（IRB與pH呈負(fù)相關(guān)），驅(qū)動鐵錳氧化物還原。  

元素分布（活性磷、Fe(II)、Mn(II)、S(-II)）：  

 

數(shù)據(jù)來源：DGT（圖3）、HR-Peeper（圖3）；  

 

意義：藻華分解顯著提升活性磷、Fe(II)、Mn(II)濃度（表1），證實鐵錳氧化物還原溶解是磷釋放的主因。  

 

擴(kuò)散通量：  

 

數(shù)據(jù)來源：基于Fick定律計算（圖4）；  

 

意義：藻型區(qū)（ZSW、CG）磷通量比草型區(qū)（XKW）高14-100%，表明藻華分解加劇內(nèi)源磷負(fù)荷。  

 

結(jié)論

機(jī)制層面：藻華分解通過釋放DOM和降低pH，促進(jìn)微生物鐵錳還原（非硫介導(dǎo)途徑），導(dǎo)致鐵錳氧化物溶解并釋放活性磷。  

 

區(qū)域差異：藻型區(qū)（ZSW、CG）磷擴(kuò)散通量顯著高于草型區(qū)（XKW），后者在藻華分解期間甚至表現(xiàn)為磷匯。  

 

控制因素：活性磷釋放受Fe(II):Mn(II)比值調(diào)控：  

 

比值<0.47時主要由錳控制（如ZSW湖區(qū)）；  

 

比值>0.63時由鐵錳共同控制（如CG湖區(qū)）。  

實際意義：藻型區(qū)沉積物成為持續(xù)性內(nèi)源磷污染源，加劇富營養(yǎng)化治理難度。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

使用丹麥Unisense微電極測量的溶解氧（DO）、pH和氧化還原電位（ORP）數(shù)據(jù)具有以下研究意義：  

揭示缺氧環(huán)境形成機(jī)制：  

 

DO穿透深度從5 mm降至2.5 mm，證明藻華分解大幅提升沉積物耗氧率，導(dǎo)致SWI附近形成缺氧區(qū)，為鐵錳還原提供必要條件。  

闡明微生物代謝驅(qū)動因素：  

 

pH降低（藻組水體均值7.73 vs. 對照組8.22）與IRB豐度顯著負(fù)相關(guān)（r = -0.429, p<0.01），證實藻華分解釋放的有機(jī)酸和CO?降低pH，增強(qiáng)微生物鐵還原活性。  

界定氧化還原分帶：  

 

ORP在SWI以下10 mm處驟降至0 mV，明確劃分氧化層（ORP > 0 mV）與還原層（ORP < -10 mV），指示鐵錳還原主要發(fā)生在還原層。  

量化環(huán)境參數(shù)動態(tài)：  

 

高分辨率數(shù)據(jù)（亞毫米級）捕捉到DO、pH的時空異質(zhì)性，為建立"藻分解-缺氧-鐵錳還原-磷釋放"的因果鏈提供直接證據(jù)。