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水體營養(yǎng)化水平的提高通常會(huì)造成藻華問題。藻華爆發(fā)產(chǎn)生的大量藻類會(huì)發(fā)生聚集,最終死亡并沉積在沉積物表面,從而影響水生系統(tǒng)的微環(huán)境和磷循環(huán)過程。然而,有關(guān)自然死亡的藻類沉積對(duì)沉積物內(nèi)源磷釋放的影響的研究還很缺乏。因此,在本研究中,我們通過分析微生物代謝和群落結(jié)構(gòu),研究了不同濃度的死亡藻類(對(duì)照:正常湖泊;Amend1:中營養(yǎng)湖泊;Amend4:富營養(yǎng)湖泊;Amend12:超富營養(yǎng)湖泊)沉積對(duì)沉積物中內(nèi)源磷釋放的長期影響及其潛在機(jī)制。
Unisense微電極測(cè)定系統(tǒng)的應(yīng)用:
從槽中取出沉積物芯,應(yīng)用Unisense微電極系統(tǒng)測(cè)量沉積物的DO和Eh。溶解氧濃度由OX-100氧微電極(丹麥Unisense)測(cè)定,Eh值由RD-100氧化還原微電極測(cè)定。
圖1
死亡藻類沉積改變了沉積物的物化特征。如圖2所示,80天的長期培養(yǎng)期后,隨著死亡藻類濃度的增加,溶解氧的滲透深度下降。就Eh而言,對(duì)照組水—沉積物界面處的Eh值相對(duì)穩(wěn)定,為431.90 mV,而死亡藻類沉積組的Eh值與對(duì)照組相比顯著(p<0.05)下降。就pH而言,隨著沉積物深度的增加,pH值也出現(xiàn)下降趨勢(shì),沉積物pH值由堿性變?yōu)樗嵝?,且死亡藻類沉積組與對(duì)照組之間存在顯著(p<0.05)差異。
圖2對(duì)照組、Amend1組、Amend4組和Amend12組水沉積物界面(SWI)處溶解氧(Ⅰ)、Eh(Ⅱ)和pH(Ⅲ)的微觀分布圖。虛線代表SWI。
死亡藻類沉積改變了微宇宙中磷在水體和沉積物中的分布和轉(zhuǎn)化。
如圖3所示,在對(duì)照組中,SRP的濃度在最初的30天內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng),隨后在30至80天內(nèi)幾乎降至0。而與對(duì)照組相比,所有死亡藻類沉積組的SRP濃度都有顯著變化,其中以Amend12組的變化最為明顯。
結(jié)果表明,死藻沉積后,沉積物向水體的P釋放量在第40天達(dá)到峰值(Amend12為0.14±0.017 mg L-1),SRP交換能力在第一階段(0-3天)達(dá)到最大值(Amend12為6.09±1.63 mg/(cm2·d))。此外,死亡藻類沉積組沉積物表面的OP、IP、HCl-P、NaOH-P和TP的濃度要高于對(duì)照組,這些磷組分的含量隨著死亡藻類沉積數(shù)量的增加而增加,尤其是以O(shè)P和HCl-P的形式增加。
圖3對(duì)照組、Amend1組、Amend4組和Amend12組在80天培養(yǎng)期間上覆水中SRP濃度的連續(xù)變化(a),以及對(duì)照組、Amend1組、Amend4組和Amend12組在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)0-2厘米沉積物中不同P組分(OP、IP、HCl-P、NaOH-P、TP)的連續(xù)變化(b)。
死亡藻類沉積不僅改變了沉積物聚磷菌(PAOs)代謝中的部分關(guān)鍵酶的活性和主要代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量,還改變了沉積物中微生物群落的結(jié)構(gòu)。
如圖4所示,隨著死亡藻類濃度的增加,沉積物中部分關(guān)鍵的酶活性和主要代謝產(chǎn)物的含量均顯著升高(p<0.05),且研究結(jié)果表明酶的類型和沉積物的層次都是影響PAOs對(duì)死亡藻類沉積的代謝反應(yīng)的重要因素。此外,LEfSe分析結(jié)果表明,死亡藻類沉積改變了沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)以及生物標(biāo)志物的類型和數(shù)量。死亡藻類沉積后,Amend4中的生物標(biāo)志物數(shù)量明顯增加,由對(duì)照組的9個(gè)增加到15個(gè)。
同時(shí),如圖5所示,通過對(duì)PAOs在磷循環(huán)過程中典型的微生物葡萄糖代謝(糖酵解和TCA循環(huán))和尿素循環(huán)過程的分析,我們發(fā)現(xiàn)死亡藻類沉積增加了C源代謝、減少了細(xì)胞內(nèi)氨抑制作用,促進(jìn)了厭氧釋磷過程,這大大的提高了磷循環(huán)微生物(聚磷菌)的活性,有助于促進(jìn)沉積物內(nèi)源磷的釋放。
圖4培養(yǎng)80天后死亡藻類沉積對(duì)0-2厘米沉積物PAOs代謝中糖酵解(a)、尿素循環(huán)(b)、和磷循環(huán)(c)過程關(guān)鍵酶活性和主要代謝產(chǎn)物含量(d)的影響。
圖5 PAOs在P循環(huán)過程中典型微生物葡萄糖代謝(糖酵解和TCA循環(huán))和尿素循環(huán)示意圖
最后,如圖6所示,本研究通過物理-化學(xué)-生物微環(huán)境相關(guān)因子的綜合分析對(duì)死亡藻類沉積驅(qū)動(dòng)沉積物內(nèi)源磷釋放的潛在機(jī)制進(jìn)行了探究。死亡藻類的長期沉積極大地改變了沉積物的微環(huán)境,使得內(nèi)源磷釋放到上覆水體中,而微生物在這一過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。藻類沉積在沉積物表面引入了大量有機(jī)物,增加了沉積物微生物活性,降低了沉積物DO和Eh值,增強(qiáng)了沉積物表面不穩(wěn)定磷的釋放。同時(shí),沉積物中的聚磷菌(PAOs)由于增加了C源代謝、降低了細(xì)胞內(nèi)氨抑制作用,并且擁有了更合適的厭氧環(huán)境而表現(xiàn)出較強(qiáng)的釋磷活性。此外,死亡藻類沉積明顯增加了沉積物中內(nèi)源磷的儲(chǔ)備,沉積物中OP含量的增加對(duì)長期暴露于死藻環(huán)境后上覆水中SRP含量的增加起了重要作用。
圖6不同磷組分與沉積物性質(zhì)之間關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)分析。
相關(guān)熱圖顯示了死亡藻類沉積后不同物理、化學(xué)和生物因子之間的相關(guān)性,左側(cè)的線條代表了水體和沉積物中的各種磷組分與沉積物的物理、化學(xué)和生物因子之間相關(guān)性的大小和顯著性。
總之,本研究從微生物的角度,尤其是聚磷菌(PAOs)代謝的角度,分析了自然死亡藻類沉積在沉積物表面對(duì)內(nèi)源磷釋放行為的影響。本研究不僅提供了許多新穎的觀點(diǎn),還提供了一種可行的研究思路和方法,即通過對(duì)物理-化學(xué)-生物微環(huán)境相關(guān)因子的綜合分析來解釋科學(xué)問題。因此,這項(xiàng)研究加深了我們對(duì)控制富營養(yǎng)化淺水湖泊內(nèi)源磷釋放的管理策略的理解,并為減輕新沉積藻類的誘發(fā)效應(yīng)提供了有效建議:通過在藻類繁殖高峰期采收藻類來實(shí)現(xiàn)。