研究簡(jiǎn)介:藻類(lèi)水華在全球范圍內對水體生態(tài)系統的負面影響，特別是其對營(yíng)養物質(zhì)循環(huán)的影響。藻類(lèi)水華不僅直接影響水體的生產(chǎn)力，還通過(guò)沉積物中的營(yíng)養物質(zhì)和污染物的內部負荷，持續促進(jìn)水體富營(yíng)養化。沉積物-水界面是物質(zhì)交換和營(yíng)養物質(zhì)流動(dòng)的關(guān)鍵區域，受到多種物理、化學(xué)和生物相互作用的影響。磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）是水生態(tài)系統中的關(guān)鍵營(yíng)養物質(zhì)，它們的循環(huán)對水體富營(yíng)養化和藻類(lèi)水華的形成具有重要影響。

磷是水體富營(yíng)養化的主要貢獻者，而鐵是氧化還原敏感金屬，對有機物的氧化和浮游植物水華的形成具有重要作用?？扇苄粤蚧锏亩拘暂^高，可能對生態(tài)系統產(chǎn)生影響。這些元素之間的沉積循環(huán)相互作用會(huì )影響其可利用性和流動(dòng)性。藻類(lèi)水華的增加可能導致藻類(lèi)過(guò)度生長(cháng)，隨后藻類(lèi)降解，溶解氧缺乏，最終導致富營(yíng)養化和生態(tài)惡化。藻類(lèi)降解后，藻類(lèi)可能沉淀并在湖床上沉降，釋放出豐富的顆粒/可溶/膠體營(yíng)養物質(zhì)到周?chē)鷧^域。這些過(guò)程直接促進(jìn)了P、Fe和S的更高可利用性，并可能顯著(zhù)改變底棲環(huán)境的物理和生物特征，如溶解氧、pH值、電位、濁度和顆粒物，從而強烈修改營(yíng)養物質(zhì)循環(huán)。盡管如此，由于缺乏原位高分辨率監測技術(shù)，研究人員對沉積物-水界面處P、Fe和S循環(huán)的理解仍然有限。傳統的采樣方法可能會(huì )改變樣本的原始特性，導致分析誤差。DGT技術(shù)作為一種動(dòng)態(tài)采樣技術(shù)，能夠最小化傳統采樣方法所帶來(lái)的問(wèn)題，如分析物污染和采樣過(guò)程中分析物形態(tài)變化。該技術(shù)在允許高空間分辨率下進(jìn)行多種溶質(zhì)的原位測量方面具有獨特優(yōu)勢，使其成為理解與關(guān)鍵元素相關(guān)的生物地球化學(xué)過(guò)程的強大工具。

本研究通過(guò)實(shí)驗室培養實(shí)驗，推進(jìn)對藻類(lèi)降解對沉積物-水界面P、Fe和S動(dòng)態(tài)影響的理解。研究首次使用了包括微電極和兩種結合DGT（ZrO-Chelex和ZrO-AgI DGT）在內的兩種原位高分辨率技術(shù)，以提供P、Fe和S及相關(guān)環(huán)境因素的詳細數據，重新評估藻類(lèi)降解過(guò)程中這些元素的循環(huán)。研究結果有助于澄清藻類(lèi)水華降解對富營(yíng)養湖泊營(yíng)養物質(zhì)循環(huán)的貢獻。

Unisense微電極研究系統的應用

Unisense微電極系統被用于測量沉積物中的氧化還原電位（Eh），Unisense微電極系統精確測量沉積物中的Eh剖面，微電極的移動(dòng)和定位精度為1μm，由unisense微操控器馬達控制，確保了測量的準確性.氧化還原電位（Eh）是一種關(guān)鍵的環(huán)境參數，用于評估沉積物中的氧化還原條件，通過(guò)比較對照組和處理組（添加藻類(lèi)水華浮渣的沉積物）的Eh剖面，能夠評估藻類(lèi)分解對沉積物氧化還原狀態(tài)的影響，這對于理解沉積物-水界面處營(yíng)養物質(zhì)的循環(huán)和轉化至關(guān)重要。

實(shí)驗結果

揭示了藻類(lèi)水華分解對沉積物-水界面（SWI）處磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）循環(huán)的顯著(zhù)影響。研究發(fā)現在藻類(lèi)分解過(guò)程中，SWI處的可溶性磷、鐵和硫濃度顯著(zhù)增加，這一現象與藻類(lèi)分解的強度和速度密切相關(guān)。特別是在培養的前8至10天內，這些元素的濃度持續上升，隨后隨著(zhù)分解過(guò)程的減弱而逐漸下降。藻類(lèi)分解不僅增加了沉積物中可溶性磷和硫的濃度，還在SWI附近形成了明顯的濃度梯度，這表明藻類(lèi)分解產(chǎn)生的營(yíng)養物質(zhì)在沉積物中積累，并加速了營(yíng)養物質(zhì)的釋放。此外，藻類(lèi)分解還改變了SWI附近的氧化還原條件，促進(jìn)了沉積物中鐵的還原和溶解，增加了可溶性鐵的釋放。研究還發(fā)現藻類(lèi)分解過(guò)程中，沉積物中的Fe氧化還原循環(huán)是控制磷釋放的主要機制。然而，在強烈的厭氧分解過(guò)程中，直接釋放的磷改變了這一機制。此外，藻類(lèi)分解產(chǎn)生的鐵和硫在水柱中迅速形成黑色硫化亞鐵沉淀，這可能是導致富營(yíng)養湖泊中黑色水華頻繁發(fā)生的原因。

圖1、在培養期間水柱中SRP、可溶性Fe(II)和可溶性S(-II)的變化.

圖2、實(shí)驗中對照組（左）和處理組（右）沉積物剖面深度的Eh變化

圖3、對照組（左）和處理組（右）沉積物-覆蓋水剖面中DGT可溶性P（CDGT-P）的變化。陰影區域表示SWI上方20毫米深度的覆蓋水。

圖4、對照組（左）和處理組（右）沉積物-覆蓋水剖面中DGT可溶性Fe（CDGT-Fe）的深度變化。陰影區域表示SWI上方20毫米深度的覆蓋水。

圖5、實(shí)驗中對照組（左）和處理組（右）沉積物剖面中DGT可溶性S的深度變化。陰影區域表示SWI上方20毫米深度的覆蓋水。

結論與展望

本研究探討了藻類(lèi)水華對湖泊沉積物-水界面（SWI）中磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）動(dòng)態(tài)的未知影響。研究人員在自然環(huán)境中進(jìn)行了一個(gè)中型生態(tài)實(shí)驗，以研究這些影響，采用了兩種新近開(kāi)發(fā)的薄膜擴散梯度技術(shù)（DGT）。在藻類(lèi)添加的水柱中，可溶性P、Fe(II)和S(-II)表現出類(lèi)似的變化趨勢。在為期16天的實(shí)驗中，第7天出現了峰值濃度。實(shí)驗進(jìn)行到一半時(shí)，Eh值最低，表明藻類(lèi)降解顯著(zhù)。第8天，SWI附近的DGT-可生物利用S達到了最大增加，而DGT-可生物利用P和Fe則在實(shí)驗結束前持續增加。觀(guān)察到可生物利用P與沉積物中可生物利用Fe和S之間的顯著(zhù)正相關(guān)，表明在藻類(lèi)降解過(guò)程中，P的原始Fe耦合動(dòng)態(tài)發(fā)生了顯著(zhù)變化。根據DGT剖面計算的明顯通量表明，降解藻類(lèi)的P和S同時(shí)釋放，導致沉積物向上覆水體的雙向擴散通量。相比之下，沉積物作為可生物利用Fe的主要來(lái)源，因其深度增加和明顯的正通量。本研究首次使用了unisense微電極系統結合DGT（ZrO-Chelex和ZrO-AgI DGT）在內的兩種原位高分辨率技術(shù)，以提供P、Fe和S及相關(guān)環(huán)境因素的詳細數據，重新評估藻類(lèi)降解過(guò)程中這些元素的循環(huán)。研究結果有助于澄清藻類(lèi)水華降解對富營(yíng)養湖泊營(yíng)養物質(zhì)循環(huán)的貢獻。這項研究對于理解藻類(lèi)水華對水體生態(tài)系統的長(cháng)期影響具有重要意義，并為湖泊管理和富營(yíng)養化控制提供了科學(xué)依據。