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

镧改性膨润土（LMB）与不同生物扰动模式的底栖大型无脊椎动物之间的相互作用

来源：ACS EST Water 2025, 5, 177-187

《ACS环境科学与技术：水》2025年第5卷，第177-187页


摘要内容：

摘要探讨了镧改性膨润土（LMB）在富营养化湖泊中用于控制沉积物内源磷时，与底栖大型无脊椎动物的相互作用。研究选取三种典型生物扰动模式的物种（颤蚓 Branchiura sowerbyi - 上运型、摇蚊 Chironomus flaviplumus - 廊道扩散型、萝卜螺 Radix swinhoei - 生物扩散型），通过微宇宙实验发现：

大型无脊椎动物不影响LMB整体除磷效率，但导致LMB在沉积物中垂直重分布（BS > CF > RS）。


BS的强烈扰动可能降低LMB在沉积物-水界面（SWI）的除磷效果，但增强深层沉积物固磷能力；CF在表层形成孔洞和通道，破坏LMB覆盖层完整性；RS对LMB扰动最小。


LMB抑制RS和CF的生长繁殖并增加死亡率，但BS虽富集镧却无显著生存影响。


研究目的：

评估不同生物扰动模式的底栖大型无脊椎动物如何影响LMB的磷去除效率、镧（La）迁移性，以及LMB对生物的生态毒性，为湖泊修复中LMB应用提供生态风险评估依据。


研究思路：

实验设计：设置8组微宇宙处理（对照组、单物种组、LMB组、LMB+物种组），模拟沉积物-水系统（沉积物8cm，上覆水16cm），添加LMB（按沉积物活性磷与La摩尔比1:1）。


生物扰动模式：选取BS（上运型，扰动深达20cm）、CF（廊道扩散型，0-4cm筑U型孔道）、RS（生物扩散型，SWI表层活动）。


监测指标：36天实验期内定期检测水体和沉积物参数，实验结束分析生物响应。


数据分析：通过重复测量方差分析（ANOVA）比较组间差异，评估生物扰动对LMB效能及生态风险的影响。


测量的数据及研究意义（标注来源图/表）：

上覆水磷浓度（图1A-B）：监测PO₄³⁻和TP动态，反映LMB除磷效率及生物扰动对其影响。BS显著增加上覆水TP（0.22 mg/L），表明其扰动降低SWI处LMB控磷效果。

孔隙水与沉积物磷分布（图1C-D、图3）：

孔隙水PO₄³⁻（图1C）：生物扰动促进沉积物深层磷向上迁移。

沉积物TP及磷形态（图3）：BS使表层（0-1cm）活性磷（Pmobile）升高（350 mg/kg），深层（3-9cm）降低，表明扰动导致LMB-P复合物深埋。


镧（La）迁移性：


上覆水La³⁺/TLa（图4A-B）：RS处理La浓度最高（25.9 μg/L），BS最低（20.0 μg/L），反映生物扰动促进La-P结合沉淀。

沉积物TLa分布（图4D）：BS使LMB层下移（3-5cm浓度1356 mg/kg），证明其强垂直混合作用。


生物响应：


死亡率：LMB使RS和CF死亡率分别增加39%和75%。


生长繁殖：RS体长增长受抑（LMB组9.8 mm vs 对照组29.7 mm），CF羽化数量减少（LMB组7 vs 对照组12）。


BS生物标志物：CAT和GST活性升高（活性比1.4-1.5），表明氧化应激响应，但无死亡率变化。

溶解氧（DO）渗透深度：使用丹麦Unisense微电极（分辨率100μm）测量，BS显著降低SWI处DO浓度，促进沉积物Fe³⁺还原为Fe²⁺，解释磷释放机制。


结论：

LMB效能：大型无脊椎动物不改变LMB整体固磷量（各组TP沉积量无显著差异），但通过垂直重分布影响局部磷循环。


物种特异性扰动效应：


BS（上运型）：深埋LMB（深达8cm），降低SWI除磷效率但增强深层固磷；显著降低上覆水La浓度。


CF（廊道扩散型）：短期破坏LMB层完整性，促进孔隙水交换，轻微影响除磷。


RS（生物扩散型）：对LMB扰动最小，但导致上覆水La浓度较高。

生态风险：LMB抑制RS和CF的生长繁殖并增加死亡率；BS虽富集镧（组织La浓度32.7 mg/kg）且扰动最强，但无显著生存影响，可能与耐受性相关。


应用建议：需关注多物种共存对LMB的长期影响，尤其颤蚓类高密度存在时的LMB深层迁移风险。


丹麦Unisense电极数据的详细研究意义：

Unisense微电极以高分辨率（100μm）测定沉积物DO渗透深度，其意义在于：

揭示氧化还原状态：BS的深孔道灌溉增加深层沉积物氧渗透，促使Fe²⁺氧化为Fe³⁺并形成氢氧化铁结合磷，但实验中发现BS处理SWI处DO降低（因有机质矿化耗氧），导致Fe³⁺还原为Fe²⁺并释磷。


解释磷释放机制：DO分布数据与孔隙水Fe²⁺升高（图S6）直接关联，证实生物扰动通过改变沉积物氧化还原条件影响磷形态转化（如铁结合磷释放）。


量化扰动强度：DO剖面变化反映不同生物（BS > CF > RS）的扰动深度差异（图2F），为评估LMB层破坏程度提供依据。