Addressing algal blooms by bio-pumps to reduce greenhouse gas production and emissions with multi-path  

利用生物泵多路徑處理藻華以減少溫室氣體產生和排放  

來源：Chemosphere, volume 270, article number 128666, 2021  

《化學圈》第270卷，文章編號128666，2021年  

 

摘要內容

 

研究提出一種以沉水植物為核心的"生物泵"系統，結合絮凝（PAC）和封蓋技術，用于控制藻華并減少溫室氣體排放。關鍵發現包括：  

1. 藻類去除與DO提升：生物泵實現98%的藻類去除率，并持續改善水體和沉積物的溶解氧（DO）水平（圖1a）。  

 

2. 微生物群落調控：系統降低產甲烷菌基因（mcrA）豐度，增加甲烷氧化菌基因（pmoA）豐度（圖5），改變藻類碳的代謝路徑。  

 

3. 溫室氣體減排：40天培養后，生物泵較單純絮凝-封蓋處理減少69.07% CH?和77.57% CO?排放（圖2），主要歸因于厭氧產甲烷抑制、CH?好氧氧化及沉水植物固碳作用。  

 

4. 碳轉化路徑：13C標記證實藻類碳被沉水植物吸收（表1），實現藻源有機質向植物生物質的轉化。  

 

研究目的

 

1. 開發一種生態友好型藻華控制方法，減少傳統化學絮凝（如PAC）的殘留風險。  

2. 探究生物泵系統對水體微環境（DO、微生物群落）的調控機制。  

3. 量化系統對溫室氣體（CH?、CO?）排放的抑制效果，解析碳轉化路徑。  

 

研究思路

 

1. 實驗設計：  

   ? 以滇池藻華水體為對象，建立三組微宇宙系統：對照組（無處理）、絮凝-封蓋組（PAC+土壤封蓋）、生物泵組（PAC+封蓋+沉水植物苦草）。  

 

   ? 使用13C標記藻類（Chlorella pyrenoidosa）追蹤碳去向。  

 

2. 參數監測：  

   ? DO動態：實時監測上覆水DO（圖1a），Unisense微電極測定沉積物-水界面氧剖面（圖1b）。  

 

   ? 溫室氣體通量：靜態箱法測量水-氣界面CH?/CO?通量（圖2），Fick定律計算沉積物-水界面擴散通量。  

 

   ? 微生物分析：qPCR定量mcrA/pmoA基因（圖5），高通量測序分析微生物群落（圖4）。  

 

   ? 碳去向：元素分析儀測定沉積物/植物碳含量及13C豐度（表1）。  

 

測量數據及研究意義

 

1. DO動態（圖1）：  

   ? 數據：生物泵組DO從3.20 mg/L升至13.01 mg/L（40天），氧滲透深度達12 mm（對照組僅1.7 mm）。  

 

   ? 意義：沉水植物光合作用顯著改善水體氧環境，抑制沉積物厭氧代謝。  

 

2. 溫室氣體通量（圖2, 圖3）：  

   ? 數據：生物泵組CH?平均通量（水-氣界面2.18 mg·m?2·d?1）較絮凝組（7.69 mg·m?2·d?1）降低71.6%；13CH?排放量僅0.08 mg（絮凝組0.56 mg）。  

   ? 意義：證明生物泵通過好氧環境抑制產甲烷并促進CH?氧化。  

 

3. 微生物基因豐度（圖5）：  

   ? 數據：生物泵組mcrA基因拷貝數（2.14×10? copies·g?1）較絮凝組（4.08×10?）降低47.5%，pmoA基因增加28%。  

 

   ? 意義：微生物群落調控是減少CH?生成的關鍵機制。  

 

4. 碳去向（表1）：  

   ? 數據：沉水植物吸收13C標記碳（豐度1.64%），沉積物碳含量降至2.38%（絮凝組3.40%）。  

 

   ? 意義：證實藻類碳轉化為植物生物質，實現碳封存。  

 

結論

 

1. 高效藻控：生物泵通過絮凝-封蓋快速沉降藻類，沉水植物抑制藻類再懸浮，實現98%持續去除率。  

2. 氧環境重塑：沉水植物光合作用提升DO至超飽和狀態（>13 mg/L），擴大沉積物好氧層深度（12 mm）。  

3. 溫室氣體減排：三重機制（抑制產甲烷菌、增強甲烷氧化、植物固碳）降低69% CH?和78% CO?排放。  

4. 碳路徑轉型：藻類碳經13C標記證實向沉水植物生物質轉移，減少礦化為溫室氣體。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

Unisense微電極（型號OX-25）用于高分辨率測定沉積物氧剖面，其核心價值包括：  

1. 揭示氧滲透機制：  

   ? 電極數據顯示生物泵組沉積物氧滲透深度達12,000 μm（圖1b），較對照組（1,700 μm）提升7倍，直觀證明沉水植物根系泌氧對沉積物好氧層的擴展作用。  

 

2. 關聯微生物活性：  

   ? 氧剖面與mcrA/pmoA基因分布耦合（圖5）：深層厭氧區（>12 mm）仍存在mcrA高表達，但淺層好氧區（0–12 mm）pmoA基因豐度顯著增加，解釋CH?氧化效率提升。  

 

3. 支持減排機制：  

   ? 電極數據定量證實好氧層厚度與CH?氧化率正相關（pmoA基因增加28%），為"氧屏障抑制產甲烷"提供原位證據，明確生物泵減少69% CH?排放的微尺度機制。  

 

科學價值：Unisense電極以100 μm分辨率捕捉沉積物氧梯度動態，將植物生理活動（根系泌氧）與微生物代謝功能（甲烷氧化）空間耦合，為生態工程調控溫室氣體提供機理依據。