水体营养化水平的提高通常会造成藻华问题。藻华爆发产生的大量藻类会发生聚集，最终死亡并沉积在沉积物表面，从而影响水生系统的微环境和磷循环过程。然而，有关自然死亡的藻类沉积对沉积物内源磷释放的影响的研究还很缺乏。因此，在本研究中，我们通过分析微生物代谢和群落结构，研究了不同浓度的死亡藻类（对照：正常湖泊；Amend1：中营养湖泊；Amend4：富营养湖泊；Amend12：超富营养湖泊）沉积对沉积物中内源磷释放的长期影响及其潜在机制。


Unisense微电极测定系统的应用:

从槽中取出沉积物芯，应用Unisense微电极系统测量沉积物的DO和Eh。溶解氧浓度由OX-100氧微电极(丹麦Unisense)测定，Eh值由RD-100氧化还原微电极测定。

图1


死亡藻类沉积改变了沉积物的物化特征。如图2所示，80天的长期培养期后，随着死亡藻类浓度的增加，溶解氧的渗透深度下降。就Eh而言，对照组水—沉积物界面处的Eh值相对稳定，为431.90 mV，而死亡藻类沉积组的Eh值与对照组相比显著（p<0.05）下降。就pH而言，随着沉积物深度的增加，pH值也出现下降趋势，沉积物pH值由碱性变为酸性，且死亡藻类沉积组与对照组之间存在显著（p<0.05）差异。

图2对照组、Amend1组、Amend4组和Amend12组水沉积物界面（SWI）处溶解氧(Ⅰ)、Eh(Ⅱ)和pH(Ⅲ)的微观分布图。虚线代表SWI。


死亡藻类沉积改变了微宇宙中磷在水体和沉积物中的分布和转化。


如图3所示，在对照组中，SRP的浓度在最初的30天内出现波动，随后在30至80天内几乎降至0。而与对照组相比，所有死亡藻类沉积组的SRP浓度都有显著变化，其中以Amend12组的变化最为明显。


结果表明，死藻沉积后，沉积物向水体的P释放量在第40天达到峰值（Amend12为0.14±0.017 mg L-1），SRP交换能力在第一阶段（0-3天）达到最大值（Amend12为6.09±1.63 mg/(cm2·d)）。此外，死亡藻类沉积组沉积物表面的OP、IP、HCl-P、NaOH-P和TP的浓度要高于对照组，这些磷组分的含量随着死亡藻类沉积数量的增加而增加，尤其是以OP和HCl-P的形式增加。

图3对照组、Amend1组、Amend4组和Amend12组在80天培养期间上覆水中SRP浓度的连续变化（a），以及对照组、Amend1组、Amend4组和Amend12组在培养结束时0-2厘米沉积物中不同P组分（OP、IP、HCl-P、NaOH-P、TP）的连续变化（b）。


死亡藻类沉积不仅改变了沉积物聚磷菌（PAOs）代谢中的部分关键酶的活性和主要代谢产物的产量，还改变了沉积物中微生物群落的结构。


如图4所示，随着死亡藻类浓度的增加，沉积物中部分关键的酶活性和主要代谢产物的含量均显著升高（p<0.05），且研究结果表明酶的类型和沉积物的层次都是影响PAOs对死亡藻类沉积的代谢反应的重要因素。此外，LEfSe分析结果表明，死亡藻类沉积改变了沉积物微生物群落结构以及生物标志物的类型和数量。死亡藻类沉积后，Amend4中的生物标志物数量明显增加，由对照组的9个增加到15个。


同时，如图5所示，通过对PAOs在磷循环过程中典型的微生物葡萄糖代谢（糖酵解和TCA循环）和尿素循环过程的分析，我们发现死亡藻类沉积增加了C源代谢、减少了细胞内氨抑制作用，促进了厌氧释磷过程，这大大的提高了磷循环微生物（聚磷菌）的活性，有助于促进沉积物内源磷的释放。

图4培养80天后死亡藻类沉积对0-2厘米沉积物PAOs代谢中糖酵解（a）、尿素循环（b）、和磷循环（c）过程关键酶活性和主要代谢产物含量（d）的影响。

图5 PAOs在P循环过程中典型微生物葡萄糖代谢（糖酵解和TCA循环）和尿素循环示意图


最后，如图6所示，本研究通过物理-化学-生物微环境相关因子的综合分析对死亡藻类沉积驱动沉积物内源磷释放的潜在机制进行了探究。死亡藻类的长期沉积极大地改变了沉积物的微环境，使得内源磷释放到上覆水体中，而微生物在这一过程中发挥了关键作用。藻类沉积在沉积物表面引入了大量有机物，增加了沉积物微生物活性，降低了沉积物DO和Eh值，增强了沉积物表面不稳定磷的释放。同时，沉积物中的聚磷菌（PAOs）由于增加了C源代谢、降低了细胞内氨抑制作用，并且拥有了更合适的厌氧环境而表现出较强的释磷活性。此外，死亡藻类沉积明显增加了沉积物中内源磷的储备，沉积物中OP含量的增加对长期暴露于死藻环境后上覆水中SRP含量的增加起了重要作用。

图6不同磷组分与沉积物性质之间关系的网络分析。


相关热图显示了死亡藻类沉积后不同物理、化学和生物因子之间的相关性，左侧的线条代表了水体和沉积物中的各种磷组分与沉积物的物理、化学和生物因子之间相关性的大小和显著性。


总之，本研究从微生物的角度，尤其是聚磷菌（PAOs）代谢的角度，分析了自然死亡藻类沉积在沉积物表面对内源磷释放行为的影响。本研究不仅提供了许多新颖的观点，还提供了一种可行的研究思路和方法，即通过对物理-化学-生物微环境相关因子的综合分析来解释科学问题。因此，这项研究加深了我们对控制富营养化浅水湖泊内源磷释放的管理策略的理解，并为减轻新沉积藻类的诱发效应提供了有效建议：通过在藻类繁殖高峰期采收藻类来实现。