Switching Harmal Algal Blooms to Submerged Macrophytes in Shallow Waters Using Geo-engineering Methods: Evidence from a 15N Tracing Study

使用地球工程方法將淺水有害藻華轉(zhuǎn)化為沉水植物的研究：基于15N示蹤的證據(jù)

來源：Environmental Science & Technology, volume 52, pages 11778-11785, year 2018

《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》，第52卷，第11778-11785頁，2018年

 

摘要

這篇論文研究了使用地球工程方法（絮凝和覆蓋）促進(jìn)有害藻華（Microcystis aeruginosa）向沉水植物（Potamogeton crispus）轉(zhuǎn)化的過程。通過15N示蹤實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在絮凝-覆蓋處理下，藻華被移除，藻類分解加速，并且藻源氮能被沉水植物吸收。在8°C和25°C下，藻源氮的吸收率分別為3.3%和34.8%。研究表明，該方法能促進(jìn)水生生態(tài)系統(tǒng)從藻類主導(dǎo)向植物主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變。

 

研究目的

本研究旨在驗(yàn)證絮凝-覆蓋的地球工程方法是否能有效促進(jìn)淺水水體中有害藻華向沉水植物的轉(zhuǎn)化，并探究藻源氮的轉(zhuǎn)移過程和效率，以支持湖泊富營養(yǎng)化治理和生態(tài)恢復(fù)。

 

研究思路

研究采用實(shí)驗(yàn)柱模擬淺水環(huán)境，對有害藻華進(jìn)行絮凝（使用改性土壤）和覆蓋（使用天然土壤）處理，并在不同溫度（8°C、25°C和35°C）下培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)分為藻類活力實(shí)驗(yàn)和氮吸收實(shí)驗(yàn)。藻類活力實(shí)驗(yàn)測量葉綠素a濃度、藻細(xì)胞形態(tài)和光合/呼吸速率；氮吸收實(shí)驗(yàn)使用15N標(biāo)記藻類，追蹤氮在沉積物和植物中的轉(zhuǎn)移。通過統(tǒng)計(jì)分析比較不同處理組的效果。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 葉綠素a濃度數(shù)據(jù)：測量不同處理組（對照、絮凝無覆蓋、絮凝-覆蓋）在不同溫度下隨時間變化的葉綠素a濃度，來自圖1。研究意義是評估藻類生物量的去除效率，顯示絮凝-覆蓋處理能顯著降低葉綠素a濃度，尤其在高溫下效果更佳，表明該方法能有效控制藻華。

 

2 藻類形態(tài)數(shù)據(jù)：通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察藻細(xì)胞形態(tài)，來自圖2。研究意義是直接可視化藻細(xì)胞在處理后的變化，顯示絮凝-覆蓋處理導(dǎo)致藻細(xì)胞變形和裂解，證實(shí)處理能加速藻類衰亡。

 

3 光合和呼吸速率數(shù)據(jù)：使用丹麥Unisense微呼吸系統(tǒng)測量藻類的氧氣變化速率，來自圖3。研究意義是量化藻類生理活性，顯示絮凝-覆蓋處理顯著抑制光合和呼吸作用，表明藻類活力受損，支持其分解過程。

 

 

4 15N富集數(shù)據(jù)：測量沉積物和植物中δ15N值的變化，來自圖4、5和6。研究意義是追蹤氮的轉(zhuǎn)移路徑，顯示藻源氮被沉積物保留并被植物吸收，高溫下吸收率更高，證實(shí)營養(yǎng)鹽從藻類向植物的轉(zhuǎn)化可行性。

 

 

 

 

結(jié)論

1 絮凝-覆蓋處理能有效移除藻華，抑制藻類活力，并促進(jìn)藻細(xì)胞分解。

2 藻源氮能被沉水植物吸收，吸收率隨溫度升高而增加（25°C下達(dá)34.8%），表明該方法能促進(jìn)營養(yǎng)鹽循環(huán)利用。

3 地球工程方法為淺水湖泊從藻類主導(dǎo)向植物主導(dǎo)的生態(tài)轉(zhuǎn)換提供了可行途徑，尤其適用于富營養(yǎng)化治理。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense微呼吸系統(tǒng)測量的光合和呼吸速率數(shù)據(jù)具有關(guān)鍵研究意義。這些數(shù)據(jù)直接量化了藻類在處理后的生理狀態(tài)變化，如氧氣產(chǎn)生和消耗速率（來自圖3）。結(jié)果顯示，絮凝-覆蓋處理顯著降低了藻類的光合效率，甚至在光照階段出現(xiàn)負(fù)氧變化，表明藻類細(xì)胞衰亡加速。這驗(yàn)證了處理方法能通過抑制藻類代謝來促進(jìn)分解，從而減少藻華復(fù)發(fā)風(fēng)險。此外，Unisense電極的高精度測量提供了原位生理證據(jù)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可靠性，并為理解地球工程方法對藻類活力的影響機(jī)制提供了支撐。這些數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)到生態(tài)恢復(fù)效果，證實(shí)了處理能創(chuàng)造有利于沉水植物生長的條件。