Composition and distribution of biodegradable compounds in phytoplankton-dominated

zone of Lake Taihu

太湖藻型湖區(qū)沉積物中生物易降解物質(zhì)組成及分布規(guī)律

來(lái)源：J. Lake Sei(湖泊科學(xué))，2019, 31(4): 941-949

 

論文摘要

本研究聚焦于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊太湖藻型湖區(qū)（竺山灣）沉積物中生物易降解有機(jī)質(zhì)（BOM） 的組成、含量及其垂向分布規(guī)律。通過(guò)采集湖濱帶和開(kāi)敞湖區(qū)的沉積物柱狀樣，綜合運(yùn)用微電極原位剖面測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)，揭示了藻華衰亡導(dǎo)致的藻源性有機(jī)質(zhì)大量輸入如何顯著改變沉積物-水界面（SWI）的物理化學(xué)環(huán)境（如形成強(qiáng)還原條件），并詳細(xì)刻畫(huà)了沉積物中蛋白質(zhì)、糖類(lèi)和脂類(lèi)等易降解組分的空間分布特征。研究發(fā)現(xiàn)，湖濱帶由于藻屑堆積，其沉積物BOM含量顯著高于開(kāi)敞湖區(qū)；BOM的組成以脂類(lèi)（7.7 mg/g）為主導(dǎo)，其次是糖類(lèi)（4.5 mg/g），蛋白質(zhì)（0.8 mg/g）含量最低。該研究為理解藻源性?xún)?nèi)源污染的形成與演化提供了重要的地球化學(xué)依據(jù)。

 

研究目的

 

闡明藻華衰亡對(duì)沉積物環(huán)境的影響：探究藻類(lèi)大量衰亡、沉降后，如何改變沉積物-水界面的氧化還原狀態(tài)（DO, Eh, pH, H?S）及沉積物基本性質(zhì)（含水率、燒失量）。

解析有機(jī)質(zhì)來(lái)源與組成：確定藻型湖區(qū)沉積物中有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源（藻源 vs. 陸源）及其生物易降解組分（蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、脂類(lèi)）的組成與垂向分布特征。

揭示空間異質(zhì)性規(guī)律：對(duì)比湖濱帶（受人類(lèi)活動(dòng)和藻屑堆積影響顯著）與開(kāi)敞湖區(qū)（水動(dòng)力較強(qiáng)）沉積物在理化性質(zhì)和BOM分布上的差異。

 

評(píng)估生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)：為富營(yíng)養(yǎng)化湖泊內(nèi)源污染負(fù)荷評(píng)估及黑臭現(xiàn)象（與H?S產(chǎn)生相關(guān)）的防控提供科學(xué)基礎(chǔ)。

 

研究思路

研究遵循“空間對(duì)比-原位監(jiān)測(cè)-實(shí)驗(yàn)室分析-綜合解析”的思路：

 

空間布點(diǎn)與采樣：在太湖竺山灣藻型湖區(qū)選取4個(gè)代表性點(diǎn)位（圖1），包括2個(gè)湖濱帶點(diǎn)位（L1, L2）和2個(gè)開(kāi)敞湖點(diǎn)位（C1, C2），利用柱狀采樣器采集沉積物樣品（按2 cm間隔分層）。

 

原位高分辨率監(jiān)測(cè)：使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)，原位測(cè)量沉積物-水界面處溶解氧（DO）、pH、氧化還原電位（Eh）、硫化氫（H?S） 的垂直微剖面（分辨率500 μm），捕捉界面的真實(shí)化學(xué)梯度。

實(shí)驗(yàn)室多指標(biāo)分析：

 

基礎(chǔ)性質(zhì)：測(cè)定每層沉積物的含水率、燒失量（LOI）。

有機(jī)質(zhì)來(lái)源示蹤：測(cè)定葉綠素a（Chl-a）、脫鎂葉綠素（Pheophytin）、總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN），并通過(guò)C/N比判別有機(jī)質(zhì)來(lái)源。

 

生物易降解組分定量：采用標(biāo)準(zhǔn)生化方法測(cè)定總蛋白（改進(jìn)Lowry法）、總糖（苯酚-硫酸法）、總脂（甲醇-氯仿法） 的含量。

 

數(shù)據(jù)整合與機(jī)理推斷：對(duì)比不同點(diǎn)位的垂向分布數(shù)據(jù)，結(jié)合原位微環(huán)境測(cè)量結(jié)果，綜合解析藻華衰亡影響下BOM的分布規(guī)律及其環(huán)境效應(yīng)。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義（注明來(lái)源）

研究測(cè)量了多維度數(shù)據(jù)，其意義和來(lái)源如下：

 

沉積物-水界面微環(huán)境參數(shù)（DO, pH, Eh, H?S）：

 

意義：直接反映了藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)降解消耗氧氣、產(chǎn)生還原性物質(zhì)的過(guò)程。數(shù)據(jù)顯示湖濱帶界面DO、Eh、pH顯著低于開(kāi)敞湖區(qū)，而H?S濃度更高，證實(shí)了湖濱帶是藻源性有機(jī)質(zhì)降解的“熱點(diǎn)區(qū)”，形成了強(qiáng)烈的厭氧、還原環(huán)境，這是驅(qū)動(dòng)后續(xù)硫化物生成、營(yíng)養(yǎng)鹽釋放等環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵。

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)由丹麥Unisense微電極測(cè)量，見(jiàn)圖2。

 

沉積物基礎(chǔ)性質(zhì)（含水率、燒失量-LOI）：

 

意義：LOI間接反映了有機(jī)質(zhì)含量。數(shù)據(jù)顯示湖濱帶沉積物含水率和LOI均高于開(kāi)敞湖區(qū)，且表層15 cm內(nèi)數(shù)值最高，表明藻源性有機(jī)質(zhì)主要堆積在表層，使其成為有機(jī)質(zhì)降解和化學(xué)反應(yīng)最活躍的層段。

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

 

藻源性有機(jī)質(zhì)示蹤指標(biāo)（Chl-a, Pheophytin, TOC/TN）：

 

意義：Chl-a及其降解產(chǎn)物Pheophytin是藻源性輸入的直接證據(jù)。湖濱帶Chl-a含量（14.9 μg/g）遠(yuǎn)高于開(kāi)敞湖區(qū)（3.7 μg/g）。C/N比顯示，湖濱帶沉積物C/N比（5.6-11.3）更接近藻類(lèi)特征（4-10），而開(kāi)敞湖區(qū)C/N比（6.3-19.8）更高，證實(shí)湖濱帶有機(jī)質(zhì)以藻源為主，開(kāi)敞湖區(qū)為藻源與陸源混合輸入。

 

 

來(lái)源：Chl-a數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4；C/N比數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。

 

生物易降解有機(jī)質(zhì)（BOM）組分（蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、脂類(lèi)）：

 

意義：定量揭示了沉積物中可供微生物快速利用的“活性”有機(jī)碳庫(kù)的構(gòu)成與儲(chǔ)量。脂類(lèi)是絕對(duì)主導(dǎo)組分（7.7 mg/g），其次是糖類(lèi)（4.5 mg/g），蛋白質(zhì)（0.8 mg/g）含量最低。湖濱帶BOM含量顯著高于開(kāi)敞湖區(qū)，明確了湖濱帶是內(nèi)源污染釋放的潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。

 

研究結(jié)論

 

藻華衰亡創(chuàng)造強(qiáng)還原環(huán)境：藻源性有機(jī)質(zhì)的大量輸入和降解，顯著降低了沉積物-水界面的DO、Eh和pH，使湖濱帶形成強(qiáng)厭氧還原環(huán)境，并產(chǎn)生了更高濃度的H?S，為“黑臭”現(xiàn)象的發(fā)生提供了條件。

有機(jī)質(zhì)來(lái)源空間分異：湖濱帶沉積物有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于藻類(lèi)，而開(kāi)敞湖區(qū)有機(jī)質(zhì)為藻源與陸源混合輸入。

BOM組成以脂類(lèi)為主：沉積物中生物易降解有機(jī)質(zhì)（BOM）的組成存在顯著差異，脂類(lèi)含量最高，蛋白質(zhì)含量最低，這可能與蛋白質(zhì)在沉降過(guò)程中更易被降解有關(guān)。

 

湖濱帶是內(nèi)源污染熱點(diǎn)：湖濱帶由于藻屑堆積，其沉積物中有機(jī)質(zhì)含量和BOM含量均顯著高于開(kāi)敞湖區(qū)，使其成為內(nèi)源污染釋放和二次污染風(fēng)險(xiǎn)更高的關(guān)鍵區(qū)域。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義詳細(xì)解讀

在本研究中，丹麥Unisense公司的微電極系統(tǒng)被用于原位、高分辨率地測(cè)量沉積物-水界面（SWI）的溶解氧（DO）、pH、氧化還原電位（Eh）和硫化氫（H?S） 的垂直剖面（方法部分1.2，結(jié)果部分2.1）。

詳細(xì)研究意義如下：

 

精準(zhǔn)捕捉界面化學(xué)梯度，揭示藻華衰亡的初級(jí)環(huán)境效應(yīng)：Unisense微電極的毫米級(jí)分辨率（500 μm） 和原位測(cè)量能力，成功捕捉到因藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)降解而導(dǎo)致的SWI化學(xué)參數(shù)的劇烈變化。數(shù)據(jù)顯示，從水體進(jìn)入沉積物僅數(shù)毫米，DO和Eh就急劇下降至接近零（圖2a,c），直觀地證實(shí)了藻源性有機(jī)質(zhì)降解耗氧、創(chuàng)建強(qiáng)還原環(huán)境的核心過(guò)程。這是理解后續(xù)一系列生物地球化學(xué)反應(yīng)（如硫酸鹽還原產(chǎn)生H?S）的起點(diǎn)。

定量刻畫(huà)空間異質(zhì)性，定位污染熱點(diǎn)：微電極數(shù)據(jù)清晰地顯示，湖濱帶沉積物的DO、Eh、pH普遍低于開(kāi)敞湖區(qū)，而H?S濃度則更高（圖2d）。這從地球化學(xué)角度提供了確鑿證據(jù)，證明湖濱帶由于更容易積累藻屑，其有機(jī)質(zhì)降解強(qiáng)度更大，還原程度更深，是產(chǎn)生H?S等惡臭物質(zhì)和呈現(xiàn)缺氧狀態(tài)的核心區(qū)域。這為湖泊管理提供了精準(zhǔn)的治理靶區(qū)。

明確H?S的生成與分布，關(guān)聯(lián)“黑臭”風(fēng)險(xiǎn)：H?S微剖面（圖2d）顯示其濃度隨深度先降后升，并在湖濱帶出現(xiàn)峰值（12.6 μmol/L）。這不僅直接證明了硫酸鹽還原菌的活躍活動(dòng)，還將藻華衰亡（提供有機(jī)底物）、強(qiáng)還原環(huán)境（提供熱力學(xué)條件）和H?S生成（導(dǎo)致惡臭和沉積物發(fā)黑）三者有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，為解釋和預(yù)測(cè)湖泊“黑臭”現(xiàn)象提供了關(guān)鍵的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)保障數(shù)據(jù)真實(shí)性：與傳統(tǒng)采樣-實(shí)驗(yàn)室分析相比，Unisense微電極的原位測(cè)量避免了樣品脫離原始環(huán)境后化學(xué)狀態(tài)的改變（如氧化），獲得的數(shù)據(jù)更真實(shí)地反映了SWI的微觀化學(xué)環(huán)境。其高分辨率使得能夠精確界定化學(xué)躍變層的位置和厚度，這是常規(guī)手段無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極獲得的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不止于幾個(gè)化學(xué)參數(shù)的測(cè)量。它是診斷沉積物-水界面健康狀態(tài)的“聽(tīng)診器”，通過(guò)提供高保真、高分辨率的原位地球化學(xué)影像，使研究者能夠清晰地“看到”藻華衰亡如何在界面處創(chuàng)建出一個(gè)還原性的化學(xué)場(chǎng)，并精準(zhǔn)定位出環(huán)境影響最嚴(yán)重的區(qū)域。這些數(shù)據(jù)是支撐本研究核心結(jié)論——湖濱帶是藻華降解和內(nèi)源污染熱點(diǎn)——的最直接、最有力的證據(jù)。