研究简介:藻华在水生态系统中引发的生态退化已成为全球关注的问题，尤其是藻华分解对营养循环的影响。沉积物在营养循环中起着关键作用，尤其是沉积物-水界面（SWI），由于其频繁的物质周转和营养交换而备受关注。磷（P）、铁（Fe）和硫（S）是水生态系统中的重要营养元素，它们的相互作用影响着各自的可用性和流动性。藻华分解过程中，藻类沉淀到湖底并释放大量颗粒态/溶解态/胶体态营养物质，显著改变了沉积物和水体的物理和化学特征，进而影响营养循环。。藻华分解对湖泊沉积物-水界面（SWI）处磷（P）、铁（Fe）和硫（S）动态的影响。通过在巢湖进行的原位中型实验，结合扩散梯度薄膜（DGT）技术和高分辨率微电极技术，研究了藻华分解过程中P、Fe和S的浓度变化、通量变化及其相互作用。结果显示，藻华分解显著改变了SWI处P、Fe和S的动态，导致这些元素的浓度在沉积物和水柱中显著增加，并改变了它们在SWI处的通量方向和大小。藻华分解直接释放了大量P和S，同时促进了沉积物中铁的还原和释放，这些过程共同导致了水柱中P和S的积累以及黑水现象的形成。研究人员通过原位中型实验，基于两种新开发技术，扩散梯度薄膜（DGT）技术和高分辨率微电极技术，研究了藻华分解对湖泊沉积物-水界面（SWI）处磷（P）、铁（Fe）和硫（S）动态的影响。研究发现，藻华分解显著改变了SWI处P、Fe和S的浓度、通量及其相互作用。藻华分解过程中，P和S从降解的藻类中同时释放，导致沉积物和水柱中P和S浓度显著增加，并形成双向扩散通量。沉积物仍然是Fe的主要来源，而藻华分解改变了P和S的原始铁耦合动态。研究结果有助于深入理解藻华分解对富营养化湖泊中营养循环的贡献。

Unisense微电极测量系统的应用

Unisense微电极系统用于测量沉积物中的氧化还原电位（Eh）。使用针式微电极（Unisense，丹麦）测量沉积物中的Eh，微电极的移动和定位精度为1微米，由微操纵器驱动。在每次DGT采样前，使用微电极测量沉积物中的Eh剖面，以评估沉积物的氧化还原状态。通过测量Eh变化，能够了解藻华分解过程中沉积物氧化还原条件的变化，并理解P、Fe和S的动态变化。

实验结论

藻华分解显著改变了SWI处P、Fe和S的动态，藻类分解导致P和S从藻体直接释放，形成向沉积物和上覆水的双向扩散。第7天出现峰值浓度(SRP 1.36 mg/L，Fe(II)0.69 mg/L，S(-II)16.37 mg/L)，分别达对照组的17倍、5倍和14倍。沉积物则持续作为上覆水Fe的主要来源。导致这些元素在沉积物和水柱中的浓度显著增加，并改变了它们在SWI处的通量方向和大小。微电极测量数据显示，处理组Eh值在前8天持续下降，第8天达到最低点(-200mV左右)，表明此时藻类分解最为强烈。这种强还原环境促进了沉积物中铁(III)氧氢氧化物的还原溶解。通量计算表明，藻类添加使SWI处P和S的通量方向逆转，主要表现为从水柱向沉积物的负通量，而Fe保持从沉积物向上的正通量。藻华分解直接释放了大量P和S，同时促进了沉积物中铁的还原和释放，这些过程共同导致了水柱中P和S的积累以及黑水现象的形成。研究结果为理解藻华分解对富营养化湖泊中营养循环的贡献提供了重要依据。

图1、水柱中SRP、可溶性Fe(II)和S(-II)在培养期间的变化。本图展示了添加藻类处理组和对照组在水柱中可溶性活性磷(SRP)、亚铁离子(Fe(II))和硫化物(S(-II))浓度随时间的变化规律。处理组三种物质均呈现先升高后降低的单峰变化趋势，第7天达到峰值(SRP 1.36 mg/L，Fe(II)0.69 mg/L，S(-II)16.37 mg/L)。对照组则保持相对稳定的低浓度水平。这种差异直观反映了藻类分解对水化学环境的显著影响。

图2、培养期间沉积物剖面Eh值的变化。通过Unisense微电极系统测量的沉积物氧化还原电位(Eh)剖面显示，处理组(右)在前8天Eh值持续下降，最低点出现在约-20mm深度处，表明藻类分解创造了强还原环境。对照组(左)Eh值变化相对平缓，后期上层沉积物出现Eh值下降，反映有机质的自然矿化过程。两组差异证实藻类添加显著加速了沉积物的还原进程。

图3、DGT技术测量的沉积物-上覆水剖面中可溶性磷的变化。ZrO-Chelex DGT测量结果显示，处理组(右)可溶性P在SWI附近形成明显浓度峰，最高值出现在第10天(0.87±0.26 mg/L)，且浓度梯度指向沉积物和上覆水两个方向。对照组(左)P浓度随深度增加而缓慢升高，表明其释放主要来自沉积物铁氧化物的还原溶解。灰色阴影区标示上覆水区域(SWI上方20mm)。

图4、沉积物-上覆水剖面中可溶性Fe的变化。Fe的分布模式与P明显不同，处理组和对照组均表现为随沉积物深度增加而浓度升高的趋势，最高值出现在培养第10天。这种一致性表明无论是否添加藻类，沉积物都是上覆水Fe的主要来源。处理组Fe浓度整体高于对照组，证实藻类分解创造的还原环境促进了沉积物中铁氧化物的溶解释放。

图5、沉积物剖面中可溶性S的变化。ZrO-AgI DGT测量的硫化物分布显示，处理组(右)S浓度在培养第8天达到峰值(比对照组高一个数量级)，且高浓度区集中在SWI附近。对照组(左)S浓度整体较低且分布均匀。这种差异直接证明藻类分解是硫化物的重要来源，其释放的硫主要分布在界面附近而非深层沉积物中。

结论与展望

本研究主要就蓝藻分解对湖泊表层沉积物中磷（P）、铁（Fe）和硫（S）动态的影响进行了研究，本研究创新性地采用两种新型薄膜扩散梯度技术(ZrO-Chelex和ZrO-AgI DGT)结合Unisense微电极测定系统，在巢湖开展原位中宇宙实验。通过精确控制实验条件(25°C，16天培养)，模拟藻华厌氧分解过程，实现了SWI区域P、Fe、S的高分辨率(毫米级)同步监测。揭示了"黑水"现象形成的元素来源和机制。建立了研究沉积物-水界面过程的新方法体系。样本采集自2013年受蓝藻污染的巢湖，通过实验室孵化实验评估蓝藻分解对富营养湖泊的影响。结果显示，蓝藻分解显著影响沉积物中养分元素的动态，处理组水体在孵化中变黑且有异味，表明藻类分解释放了大量营养物质。对照组的营养元素浓度相对稳定，而处理组在分解初期浓度上升并在第7天达到峰值，随后逐渐下降。同时沉积物的氧化还原电位（Eh）变化与水中营养元素浓度变化相关，表明有机物的分解。研究进一步指出，藻类分解导致P、Fe和S的双向扩散，沉积物是水体中可溶性Fe的主要来源。这项研究为水体富营养化中的生物地球化学过程提供了新的理解，并强调了DGT技术在环境监测中的重要性。