Impact of contaminated sediment elutriate on coastal phytoplankton community (Thau lagoon, Mediterranean Sea, France)

污染沉積物淋溶物對沿海浮游植物群落的影響

來源：Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 486 (2017) 1–12

 

論文摘要

本論文摘要指出，海洋沉積物是污染物的匯，其再懸浮會將污染物和營養鹽釋放到水柱中，影響水體生物。本研究旨在評估從污染沉積物中釋放的污染物和氮對浮游植物群落的影響。研究在法國地中海Thau lagoon和一個近海參照站進行，通過室外微宇宙實驗，將浮游植物群落暴露于沉積物浸出液（富含金屬、有機化學品和營養鹽）或僅添加銨鹽（作為對照）中培養四天。結果表明，在潟湖站，兩種處理均刺激了浮游植物生長；而在近海站，只有沉積物浸出液具有刺激作用。兩個站點的處理均引起了浮游植物群落分類組成的轉變，沉積物浸出液的添加導致了潛在有毒硅藻和甲藻的增殖。對應分析表明，近海站的浮游植物對兩種處理的敏感性高于潟湖群落。根據代謝平衡，潟湖群落在所有處理下均保持異養狀態（P < R），而近海群落僅出現短暫的凈自養（P > R）。沉積物釋放污染物的直接毒性（如果存在）被營養鹽富集的效應所掩蓋，而群落組成和代謝的變化則間接證明了污染物壓力的存在。

研究目的

本研究的主要目的包括：

 

區分污染與營養效應：評估在沉積物再懸浮事件中，污染物（如重金屬、PAHs、PCBs）和營養鹽（特別是銨鹽）對浮游植物群落的相對影響，是毒性抑制還是營養刺激占主導地位。

比較不同生境群落的響應：探究預先暴露于污染環境的潟湖浮游植物群落與相對清潔的近海參照點群落對沉積物浸出液脅迫的響應差異，以評估環境歷史對群落耐受性的影響。

評估多層級效應：在功能（總初級生產GPP、群落呼吸Rdark、代謝平衡P:R）和結構（物種組成、豐度、多樣性）兩個層面上，全面揭示沉積物浸出液對浮游植物群落的綜合影響。

 

識別敏感物種與有益物種：確定在污染物和營養鹽共同脅迫下，哪些浮游植物類群或物種會衰退（敏感種），哪些會繁榮（耐污種或機會種），特別是潛在有毒有害藻類的響應。

 

研究思路

本研究采用了“野外采樣 - 可控微宇宙實驗 - 多指標分析”的系統思路：

 

樣品采集與浸出液制備：從Thau潟湖的污染區域（Eaux Blanches bay）采集沉積物和海水。通過攪拌、沉淀、過濾制備沉積物浸出液，其中包含溶解態的污染物和營養鹽，但去除了原生微生物。同時，從潟湖站（L，預暴露群落）和近海站（O，參照群落）采集80μm過濾后的海水作為浮游植物接種體。

微宇宙實驗設計：設置三種處理：（E）添加沉積物浸出液；（N）添加等量銨鹽（模擬浸出液中的營養效應）；（C）對照組（只添加過濾海水）。每種處理設三個重復，在5升玻璃瓶中進行96小時培養，實驗在室外自然光溫條件下進行，以模擬真實環境。

多維度指標測量：

 

化學分析：測定浸出液和沉積物中的污染物（重金屬、PAHs、PCBs）和營養鹽（銨鹽）濃度，并與已知的沉積物質量指南（如ERL, ERM）和水質基準（如HC5）進行比較，評估其污染程度和潛在生態風險。

 

生物響應監測：在實驗過程中（0, 24, 48, 72, 96小時）定期采樣，測量葉綠素a濃度（代表生物量）、浮游植物豐度和物種組成（顯微鏡鑒定計數）、總初級生產（GPP）和群落暗呼吸（Rdark）（使用丹麥Unisense氧微電極測量）。

 

數據分析：通過方差分析（ANOVA）比較不同處理和時間的差異，通過香農指數和對應分析（CA）研究群落多樣性和結構的變化，從而綜合判斷沉積物浸出液的影響。

 

測量數據及其研究意義

研究測量了多方面的數據，其意義和來源如下（數據均引用自文檔中的圖表和正文描述）：

 

污染物與營養鹽濃度（評估浸出液的化學組成與潛在風險）

 

測量指標：沉積物和浸出液中的多環芳烴（PAHs）、多氯聯苯（PCBs）、重金屬（如Cu, Pb, Cd, Zn等）和銨鹽（NH??）的濃度。

研究意義：表1的數據顯示，沉積物中PAHs和某些重金屬（如Cu）的濃度介于效應范圍低值（ERL）和效應范圍中值（ERM）之間，表明存在中度污染。而浸出液中重金屬被檢出，但PAHs和PCBs低于檢測限，銨鹽濃度很高（21.8 μM）。這確定了浸出液的主要成分為重金屬和銨鹽，是解釋生物效應（營養刺激 vs. 毒性）的化學基礎。與水質基準（HC5）對比顯示，單一污染物濃度未達直接毒性水平，但混合效應未知。

 

數據來源：表1及正文中關于化學分析的描述。

 

葉綠素a濃度（反映浮游植物總生物量的變化）

 

測量指標：整個實驗過程中各處理組葉綠素a濃度的時間序列變化。

研究意義：圖2A和2B清晰顯示，在潟湖站，E（浸出液）和N（加銨）處理均顯著促進了葉綠素a的增加（尤其后期），且兩者效果無顯著差異。在近海站，只有E處理顯著刺激了葉綠素a增長，N處理無效。這直接證明：在潟湖，營養鹽（銨）是主要限制因子和刺激因子；在近海，浸出液中的某種成分（非銨，可能是微量元素）解除了限制，刺激了生長。污染物（重金屬）的直接毒性效應被營養鹽的刺激效應所掩蓋。

 

數據來源：圖2A （潟湖站）， 圖2B （近海站）。

 

浮游植物群落組成（揭示群落結構演變和物種特異性響應）

 

測量指標：實驗開始時和96小時后，各處理組中不同浮游植物門類（硅藻、甲藻、定鞭藻等）和關鍵物種的相對豐度。

研究意義：圖3A, 3B和 表2, 表3, 表4表明，處理顯著改變了群落結構。特別值得注意的是，在E處理下，潛在有毒的硅藻（偽菱形藻 Pseudo-nitzschia spp.)和甲藻（亞歷山大藻 Alexandrium sp.)的相對豐度增加。這提供了污染物施加“間接壓力”的證據，即耐污染的、可能有害的物種在資源競爭中獲得優勢，導致群落結構惡化。對應分析（圖4）進一步證實了近海站群落對處理響應更敏感，變化更大。

 

 

 

 

 

數據來源：圖3A, 3B， 表2 （硅藻）， 表3 （甲藻）， 表4 （其他類群）， 圖4 （對應分析）。

 

群落代謝速率（刻畫系統的功能狀態和能量平衡）

 

測量指標：總初級生產（GPP）、暗呼吸（Rdark），并據此計算凈生產（NP）和生產與呼吸之比（P:R）。

研究意義：圖5A, B顯示了GPP的變化，圖6A, B顯示了Rdark的變化。數據顯示，在近海站，E處理顯著刺激了GPP和Rdark。更重要的是，圖6C, D的NP表明，兩個站點的群落整體上處于異養狀態（NP < 0），但近海站的對照和加銨處理在短期內出現了凈自養（NP > 0），而E處理下則持續異養。這表明沉積物浸出液在促進生產的同時，可能通過刺激異養細菌等活動，更大程度地增強了呼吸作用，使系統能量平衡傾向于異養，這可能影響碳循環。

 

 

 

數據來源：圖5A, B （GPP）， 圖6A, B （Rdark）， 圖6C, D （NP）。正文中表5提供了統計學顯著性結果。

 

研究結論

 

營養鹽效應主導生長響應，掩蓋直接毒性：沉積物浸出液對浮游植物生物量（葉綠素a）的刺激作用主要歸因于其中富含的銨鹽。在營養限制的潟湖，加銨與加浸出液效果相當；在近海，浸出液中的微量元素可能解除了其他限制。沒有觀察到明顯的直接毒性抑制效應，說明在此暴露濃度下，營養鹽的正面效應超過了污染物的潛在毒性。

污染物壓力導致群落結構惡化：盡管總生物量增加，但沉積物浸出液顯著改變了浮游植物群落結構，導致潛在有毒有害藻類（如偽菱形藻、亞歷山大藻）的相對豐度上升。這表明污染物施加了一種“選擇壓力”，使耐污染的、可能對生態系統健康有害的物種占據優勢，這是一種重要的間接生態效應。

近海群落對脅迫更敏感：與長期暴露于污染的潟湖群落相比，近海參照點的浮游植物群落對沉積物浸出液和營養鹽添加的響應更劇烈，表現在群落結構變化更大，多樣性指數降低更明顯。這支持了“預暴露產生耐受性”的假設。

 

代謝平衡向異養狀態偏移：沉積物浸出液的添加雖然能刺激初級生產，但同時更大程度地刺激了群落呼吸，導致系統凈異養狀態加強或凈自養狀態減弱。這表明沉積物再懸浮事件可能通過改變浮游生物群落的代謝平衡，影響生態系統的碳匯/源功能。

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense氧微電極是精確定量浮游植物群落代謝功能的關鍵工具，其研究意義體現在以下幾個方面：

 

實現了對微生物代謝速率的原位、高精度測量：Unisense微電極能夠實時、高分辨率地測量小型培養瓶（30 mL）中溶解氧的微小變化。通過“明暗瓶”法（光照下測凈初級生產NPP，黑暗中測群落呼吸Rdark），可以直接計算出總初級生產GPP（= NPP + Rlight，假設Rlight = 3Rdark）。這種方法的靈敏度極高，能夠檢測出μmol O? L?1 h?1級別的代謝速率變化，這對于揭示不同處理（E, N, C）之間細微的代謝差異至關重要。

提供了區分自養與異養過程的可靠數據：通過同步測量GPP和Rdark，并計算P:R比率，Unisense電極提供的數據直接揭示了整個浮游生物群落（包括浮游植物、細菌等）的能量平衡狀態。本研究的關鍵發現之一——系統在沉積物浸出液添加下傾向于更強的異養狀態——完全依賴于該技術提供的精確代謝通量數據。沒有這種直接測量，僅憑生物量或種類組成變化無法推斷出系統的整體代謝功能變化。

揭示了污染物對群落功能的潛在影響：雖然葉綠素a數據表明生長被刺激，但Unisense測量到的比活性（GPP/Chl a）數據（圖5C, D）提供了更深層次的信息。例如，在近海站，E處理下的比活性在短期內低于對照和加銨處理，暗示浸出液中的污染物可能對浮游植物的光合作用效率產生了短暫的脅迫，即使最終生物量因營養鹽補充而增加。這種生理水平的響應只有通過高精度的代謝測量才能捕捉到。

支撐了“間接效應”的機理解釋：研究發現E處理下呼吸作用（Rdark）顯著增強（圖6A, B），這很可能源于浸出液中的有機物或營養鹽刺激了異養細菌的生長和代謝。Unisense測量的呼吸速率數據為“污染物通過改變微生物食物網間接影響生態系統功能”這一機理提供了直接證據。它表明，評估沉積物再懸浮的影響，不能只看初級生產者，必須考慮整個微生物環的響應。

 

確保了實驗的可靠性與可比性：在微宇宙實驗中，培養瓶體積小，氧濃度的變化快速而微小。Unisense微電極的快速響應時間和低耗氧特性使其非常適合此類研究，避免了傳統 Winkler 滴定法可能因取樣、固定帶來的誤差和時間滯后，保證了數據的準確性和不同處理間的高度可比性。

 

綜上所述，丹麥Unisense氧微電極在本研究中扮演了“群落代謝哨兵”的角色。它提供的精確、實時的氧氣通量數據，將研究從靜態的“群落結構”描述，推進到了動態的“群落功能”解析層面。這項技術的應用，是成功揭示沉積物浸出液在刺激生長表象之下，所引發的群落結構劣化（有害藻類增生）和功能失衡（異養增強）這一復雜生態效應的關鍵所在。沒有這項技術，對生態系統功能影響的評估將缺乏最核心的定量依據。