研究簡介:藻華在水生態系統中引發的生態退化已成為全球關注的問題，尤其是藻華分解對營養循環的影響。沉積物在營養循環中起著關鍵作用，尤其是沉積物-水界面（SWI），由于其頻繁的物質周轉和營養交換而備受關注。磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）是水生態系統中的重要營養元素，它們的相互作用影響著各自的可用性和流動性。藻華分解過程中，藻類沉淀到湖底并釋放大量顆粒態/溶解態/膠體態營養物質，顯著改變了沉積物和水體的物理和化學特征，進而影響營養循環。。藻華分解對湖泊沉積物-水界面（SWI）處磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）動態的影響。通過在巢湖進行的原位中型實驗，結合擴散梯度薄膜（DGT）技術和高分辨率微電極技術，研究了藻華分解過程中P、Fe和S的濃度變化、通量變化及其相互作用。結果顯示，藻華分解顯著改變了SWI處P、Fe和S的動態，導致這些元素的濃度在沉積物和水柱中顯著增加，并改變了它們在SWI處的通量方向和大小。藻華分解直接釋放了大量P和S，同時促進了沉積物中鐵的還原和釋放，這些過程共同導致了水柱中P和S的積累以及黑水現象的形成。研究人員通過原位中型實驗，基于兩種新開發技術，擴散梯度薄膜（DGT）技術和高分辨率微電極技術，研究了藻華分解對湖泊沉積物-水界面（SWI）處磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）動態的影響。研究發現，藻華分解顯著改變了SWI處P、Fe和S的濃度、通量及其相互作用。藻華分解過程中，P和S從降解的藻類中同時釋放，導致沉積物和水柱中P和S濃度顯著增加，并形成雙向擴散通量。沉積物仍然是Fe的主要來源，而藻華分解改變了P和S的原始鐵耦合動態。研究結果有助于深入理解藻華分解對富營養化湖泊中營養循環的貢獻。

Unisense微電極測量系統的應用

Unisense微電極系統用于測量沉積物中的氧化還原電位（Eh）。使用針式微電極（Unisense，丹麥）測量沉積物中的Eh，微電極的移動和定位精度為1微米，由微操縱器驅動。在每次DGT采樣前，使用微電極測量沉積物中的Eh剖面，以評估沉積物的氧化還原狀態。通過測量Eh變化，能夠了解藻華分解過程中沉積物氧化還原條件的變化，并理解P、Fe和S的動態變化。

實驗結論

藻華分解顯著改變了SWI處P、Fe和S的動態，藻類分解導致P和S從藻體直接釋放，形成向沉積物和上覆水的雙向擴散。第7天出現峰值濃度(SRP 1.36 mg/L，Fe(II)0.69 mg/L，S(-II)16.37 mg/L)，分別達對照組的17倍、5倍和14倍。沉積物則持續作為上覆水Fe的主要來源。導致這些元素在沉積物和水柱中的濃度顯著增加，并改變了它們在SWI處的通量方向和大小。微電極測量數據顯示，處理組Eh值在前8天持續下降，第8天達到最低點(-200mV左右)，表明此時藻類分解最為強烈。這種強還原環境促進了沉積物中鐵(III)氧氫氧化物的還原溶解。通量計算表明，藻類添加使SWI處P和S的通量方向逆轉，主要表現為從水柱向沉積物的負通量，而Fe保持從沉積物向上的正通量。藻華分解直接釋放了大量P和S，同時促進了沉積物中鐵的還原和釋放，這些過程共同導致了水柱中P和S的積累以及黑水現象的形成。研究結果為理解藻華分解對富營養化湖泊中營養循環的貢獻提供了重要依據。

圖1、水柱中SRP、可溶性Fe(II)和S(-II)在培養期間的變化。本圖展示了添加藻類處理組和對照組在水柱中可溶性活性磷(SRP)、亞鐵離子(Fe(II))和硫化物(S(-II))濃度隨時間的變化規律。處理組三種物質均呈現先升高后降低的單峰變化趨勢，第7天達到峰值(SRP 1.36 mg/L，Fe(II)0.69 mg/L，S(-II)16.37 mg/L)。對照組則保持相對穩定的低濃度水平。這種差異直觀反映了藻類分解對水化學環境的顯著影響。

圖2、培養期間沉積物剖面Eh值的變化。通過Unisense微電極系統測量的沉積物氧化還原電位(Eh)剖面顯示，處理組(右)在前8天Eh值持續下降，最低點出現在約-20mm深度處，表明藻類分解創造了強還原環境。對照組(左)Eh值變化相對平緩，后期上層沉積物出現Eh值下降，反映有機質的自然礦化過程。兩組差異證實藻類添加顯著加速了沉積物的還原進程。

圖3、DGT技術測量的沉積物-上覆水剖面中可溶性磷的變化。ZrO-Chelex DGT測量結果顯示，處理組(右)可溶性P在SWI附近形成明顯濃度峰，最高值出現在第10天(0.87±0.26 mg/L)，且濃度梯度指向沉積物和上覆水兩個方向。對照組(左)P濃度隨深度增加而緩慢升高，表明其釋放主要來自沉積物鐵氧化物的還原溶解?；疑幱皡^標示上覆水區域(SWI上方20mm)。

圖4、沉積物-上覆水剖面中可溶性Fe的變化。Fe的分布模式與P明顯不同，處理組和對照組均表現為隨沉積物深度增加而濃度升高的趨勢，最高值出現在培養第10天。這種一致性表明無論是否添加藻類，沉積物都是上覆水Fe的主要來源。處理組Fe濃度整體高于對照組，證實藻類分解創造的還原環境促進了沉積物中鐵氧化物的溶解釋放。

圖5、沉積物剖面中可溶性S的變化。ZrO-AgI DGT測量的硫化物分布顯示，處理組(右)S濃度在培養第8天達到峰值(比對照組高一個數量級)，且高濃度區集中在SWI附近。對照組(左)S濃度整體較低且分布均勻。這種差異直接證明藻類分解是硫化物的重要來源，其釋放的硫主要分布在界面附近而非深層沉積物中。

結論與展望

本研究主要就藍藻分解對湖泊表層沉積物中磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）動態的影響進行了研究，本研究創新性地采用兩種新型薄膜擴散梯度技術(ZrO-Chelex和ZrO-AgI DGT)結合Unisense微電極測定系統，在巢湖開展原位中宇宙實驗。通過精確控制實驗條件(25°C，16天培養)，模擬藻華厭氧分解過程，實現了SWI區域P、Fe、S的高分辨率(毫米級)同步監測。揭示了"黑水"現象形成的元素來源和機制。建立了研究沉積物-水界面過程的新方法體系。樣本采集自2013年受藍藻污染的巢湖，通過實驗室孵化實驗評估藍藻分解對富營養湖泊的影響。結果顯示，藍藻分解顯著影響沉積物中養分元素的動態，處理組水體在孵化中變黑且有異味，表明藻類分解釋放了大量營養物質。對照組的營養元素濃度相對穩定，而處理組在分解初期濃度上升并在第7天達到峰值，隨后逐漸下降。同時沉積物的氧化還原電位（Eh）變化與水中營養元素濃度變化相關，表明有機物的分解。研究進一步指出，藻類分解導致P、Fe和S的雙向擴散，沉積物是水體中可溶性Fe的主要來源。這項研究為水體富營養化中的生物地球化學過程提供了新的理解，并強調了DGT技術在環境監測中的重要性。