Biodegradation of labile dissolved organic carbon under losing and gaining streamflow conditions simulated in a laboratory flume

實驗室水槽模擬的流失和增益水流條件下不穩定溶解有機碳的生物降解

來源 Limnology and Oceanography, Volume 61, 2016, Pages 1839-1852

《湖沼學與海洋學》，第61卷，2016年，第1839-1852頁

 

摘要

本研究在一種新型實驗室水槽系統中，結合不同的上覆水流速、流失或增益通量以及生物膜分布（“表層”或“均勻分布”），研究了一種不穩定的溶解有機碳（以苯甲酸鈉為例）的生物降解?？傮w目標是評估不同水流條件對潛流帶中不穩定溶解有機碳生物降解的影響。結果表明，無論生物膜分布如何，上覆水流速是影響不穩定溶解有機碳生物降解的主要因素。與流失或中性水流條件相比，增益水流條件由于上升流帶來了額外的氧氣輸入，也導致了生物降解速率的輕微增加。在所有水流條件下，好氧反應區僅限于底棲生物膜的上部幾毫米，其中表層生物膜顯示出最高的活性。研究結果揭示了潛流帶中不穩定溶解有機碳生物降解的過程，將有助于未來對河流中不穩定溶解有機碳傳輸的建模。

 

研究目的

本研究的總體目標是評估不同水流條件（包括上覆水流速、流失或增益通量）和生物膜分布（表層分布與均勻分布）對潛流帶中不穩定的溶解有機碳生物降解的影響。具體目的是確定主導生物降解過程的關鍵水文因素，并理解生物膜空間分布如何與水流條件相互作用以調節碳的轉化。

 

研究思路

研究思路是使用一個長260厘米、寬29厘米的循環水槽系統，內填天然石英砂并形成固定的床形，以模擬河流環境。通過控制主通道水泵和床底排水/注入系統，設定不同的上覆水流速（如4 cm/s 和 12 cm/s）以及垂直的流失或增益通量（如20 或 50 cm/d）。分階段培養兩種生物膜：“表層生物膜”（模擬固定床形下的自然分布）和“均勻分布生物膜”（模擬床形遷移導致的混合分布）。以苯甲酸鈉作為不穩定溶解有機碳的模型化合物，通過在線光譜儀監測其在水體中的濃度衰減來計算生物降解速率。使用丹麥Unisense微電極測量床形內部的氧氣濃度剖面。對生物膜樣品進行厚度、胞外聚合物濃度和微生物豐度（16S基因拷貝數）分析。最后，結合水文測量和生物膜特性數據，采用統計方法（如ANOVA）分析各因素對生物降解速率的影響。

 

測量的數據及研究意義

1.  生物膜特性垂直分布數據：包括生物膜厚度、胞外聚合物濃度和16S基因拷貝數。數據來自圖2。研究意義在于定量揭示了表層生物膜和均勻分布生物膜在沉積物剖面中的本質差異：表層生物膜的生物量和活性集中在上部毫米尺度，而均勻分布生物膜則相對均一。這為解釋其在不同水文條件下降解能力的差異提供了結構基礎。

 

2.  不穩定溶解有機碳生物降解潛力數據：通過批量培養實驗驗證。數據來自圖3。研究意義在于確認了水槽砂樣（含生物膜）具有顯著的不穩定溶解有機碳降解能力，而無菌對照則無，證明了觀測到的濃度下降主要是生物降解作用，而非非生物過程。

 

3.  不同上覆水流速下的不穩定溶解有機碳生物降解速率數據：數據來自圖4。研究意義在于明確顯示生物降解速率隨上覆水流速增加而線性增加，且與生物膜類型無關。這證明了溶質（不穩定溶解有機碳和氧氣）向生物膜的傳輸速率是降解過程的關鍵限制因素，突出了物理輸送過程在調節河流生物地球化學循環中的首要重要性。

 

4.  流失和增益通量下的不穩定溶解有機碳生物降解速率數據：數據來自圖5。研究意義在于表明增益條件（伴隨含氧水輸入）能輕微促進生物降解，特別是在低上覆流速下效果更明顯。而流失條件影響不顯著。這揭示了垂直水流方向及其攜帶的溶質（如氧氣）通過改變潛流帶的氧化還原環境來間接影響碳的降解。

 

5.  氧氣濃度剖面數據：使用丹麥Unisense氧微電極測量。數據來自圖6。研究意義在于直接可視化了不同水流條件下生物膜內部的好氧區范圍。結果顯示好氧降解主要發生在界面下很薄的區域（毫米級），并清晰展示了增益流如何擴大好氧區，而流失流如何壓縮好氧區，為生物降解速率的變化提供了直接的化學環境解釋。

 

 

結論

1.  上覆水流速是控制沙質河床中不穩定溶解有機碳生物降解速率的最主要因素，生物降解速率隨流速增加而線性增加。

2.  增益水流條件（伴隨氧氣輸入）能輕微促進生物降解，而流失水流條件的影響不顯著。水流條件對生物降解的影響在低上覆流速下更為明顯。

3.  不穩定溶解有機碳的生物降解主要發生在沉積物-水界面以下毫米級厚度的好氧區。

4.  表層生物膜（生物量集中于表層）在多數條件下的生物降解速率略高于均勻分布生物膜，但在高流速下，生物膜分布的影響變得不顯著。

5.  研究強調了在模擬河流碳循環時，需要考慮物理水流過程與生物膜空間結構的相互作用。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究使用丹麥Unisense公司的Clark型氧微電極測量潛流帶沉積物中的氧氣濃度剖面，這一技術手段帶來了重要的研究意義。首先，該微電極具有高空間分辨率（尖端直徑50微米）和快速響應時間（<5秒），使得研究者能夠以毫米級的精度刻畫氧氣在沉積物-水界面附近的急劇濃度梯度，這是傳統宏觀采樣方法無法實現的。其次，通過原位實時測量（如圖6所示），研究能夠直接觀察到不同水文條件（如增益流與流失流）如何動態改變生物膜內部的氧化還原結構：例如，明確顯示在增益流下，來自地下水的溶解氧如何滲透并擴大好氧區，而在流失流下，好氧層如何被限制在極淺的表層。這些高分辨率數據為理解生物降解速率的變化提供了直接的、機制性的解釋，將水文傳輸（物理）、氧氣消耗（化學）和微生物活動（生物）緊密聯系起來。此外，通過揭示好氧反應區僅限于上部幾毫米，該測量強調了潛流帶生物地球化學過程的極度空間異質性，挑戰了將其視為均一反應器的簡化模型?？傊?，Unisense氧微電極的應用為本研究定量解析水文過程對潛流帶微環境及碳循環功能的影響提供了關鍵證據，凸顯了高分辨率環境傳感技術在深化生態系統過程認知中的價值。