Entrapped Sediments as a Source of Phosphorus in Epilithic Cyanobacterial Proliferations in Low Nutrient Rivers

被困住的沉積物是低營養河流中表石藍藻增殖中的磷來源

來源：PLoS ONE 10(10): e0141063.October 19, 2015

 

摘要內容

這篇論文研究了在低營養河流中，形成墊狀結構的藍藻Phormidium如何從沉積物中獲取磷以支持其增殖。摘要指出，Phormidium是一種能產生天然毒素的底棲藍藻，其增殖站點通常水體中溶解性活性磷（DRP）濃度很低（<0.01 mg L?1）。Phormidium墊厚實且具有粘性，能困住水和細顆粒沉積物。研究假設，白天的光合作用會提高墊內pH，夜間的呼吸作用會降低溶解氧（DO），這兩種條件都可能促進沉積物中磷酸鹽的解吸，從而使Phormidium能夠利用其生長。通過使用微電極、光極和脈沖調制熒光法，研究證實光合作用導致白天墊內pH升高（>9），夜間呼吸導致墊內氧氣耗盡（<4 mg L?1）。墊內困住的水中DRP濃度平均比河水高320倍，且鐵等元素濃度也升高，表明磷從困住的沉積物中釋放。在Mangatainoka河（新西蘭）有和無Phormidium增殖的站點進行的沉積物磷順序提取顯示，增殖最嚴重的站點細沉積物（<63 μm）沉積量顯著更高，生物可利用磷濃度高2-4倍。這些結果共同證明，細沉積物可以作為磷的來源支持Phormidium的生長和增殖。

研究目的

本研究旨在探究Phormidium墊是否通過改變其內部微環境（如pH和溶解氧）來促進沉積物中磷的釋放，從而在低磷水體中獲得生長優勢，并評估沉積物沉積速率和磷的生物可利用性如何影響Phormidium的增殖程度。

研究思路

研究采用現場觀測、實驗模擬和多參數分析相結合的策略：

 

站點選擇與采樣：在新西蘭Mangatainoka河選擇三個站點（A、B、C），其中站點B和C有Phormidium增殖（站點C最嚴重），站點A無增殖。在2014年3月至4月進行采樣。

微環境測量：在站點B設置“河流中宇宙通道”，模擬自然流動條件。使用丹麥Unisense pH微電極測量墊內pH的垂直剖面和時間變化；使用光極（optode）測量墊內溶解氧濃度。

水樣分析：采集河水和Phormidium墊內水樣，分析DRP和多種元素（如鐵）的濃度，比較其差異。

沉積物特性分析：部署沉積物陷阱，測量不同粒徑沉積物的沉積速率；對沉積物進行磷形態順序提取，評估生物可利用磷的含量。

光合活性監測：使用脈沖調制熒光法（PAM）測量墊的光合電子傳遞速率（rETR）和光系統II產量（YII），以關聯光合作用與環境變化。

 

統計分析：使用廣義線性模型（GLM）等比較站點間沉積速率的差異。

 

測量數據及研究意義（注明數據來源）

 

溶解氧（DO）濃度動態：

 

數據內容：光極測量顯示，墊內DO濃度白天因光合作用升高（最高>8 mg L?1），夜間因呼吸作用降至<4 mg L?1；當水流停止時，DO可降至0 mg L?1。

研究意義：直接證明了墊內存在強烈的晝夜氧化還原波動，夜間低氧條件可能促進沉積物中磷的釋放（如通過鐵氧化物還原）。

 

數據來源：圖2展示了墊內DO濃度的時間序列（2014年3月11日至13日）。

 

pH微剖面與時間變化：

 

數據內容：Unisense pH微電極測量顯示，墊內pH在白天光合作用期間顯著升高，垂直剖面上在0.1-0.6 mm深度處pH >9.4，最高達10.0；而河水pH僅為7.0-8.0。pH升高持續約8小時。

研究意義：高pH環境可能驅動磷從金屬氧化物（如鐵、鋁氧化物）表面解吸，為Phormidium提供磷源。

 

數據來源：圖4a展示了pH垂直剖面；圖4b展示了白天墊內pH的時間變化。

 

營養鹽與元素濃度：

 

數據內容：墊內水DRP濃度平均為381 μg L?1，是河水（1 μg L?1）的320倍；鐵濃度在墊內水（37 μg L?1）也比河水（2.7 μg L?1）高21倍。其他多種元素在墊內水也顯著富集。

研究意義：表明墊內微環境促進了沉積物中磷和元素的溶出，支持了“沉積物作為磷源”的假設。

 

數據來源：數據總結自支持信息表S1；時間變化數據見表S2和S3。

 

沉積物沉積速率：

 

數據內容：站點C（增殖最嚴重）的細沉積物（<63 μm）沉積速率最高；站點A（無增殖）和B（中度增殖）無顯著差異。沉積物以<63 μm粒徑為主。

研究意義：表明高沉積速率，尤其是細顆粒沉積，與Phormidium增殖正相關，因細沉積物富含生物可利用磷。

 

數據來源：圖6以箱線圖展示了各站點不同粒徑的沉積速率。

 

沉積物磷形態分級：

 

數據內容：磷分級顯示，金屬氧化物結合磷是最豐富的形態（尤其在<63 μm粒徑中），其次為松散吸附磷。站點C的磷含量普遍高于其他站點。

研究意義：量化了沉積物中磷的生物可利用性；高pH或低氧條件可釋放這些形態的磷。

 

數據來源：圖7展示了各站點不同粒徑沉積物的磷形態分布。

 

光合參數（rETR和YII）：

 

數據內容：rETR在早晨最高，午后下降；YII在白天低于0.3，夜間恢復至>0.7，表明白天存在光抑制。

研究意義：光合活性驅動了墊內pH和DO的晝夜變化，間接影響磷釋放過程。

 

數據來源：圖5展示了PAR、rETR和YII的時間序列。

 

結論

 

微環境控制磷釋放：Phormidium墊通過光合作用（提高pH）和呼吸作用（降低DO）創造了一個動態微環境，每天長達22小時的條件（pH >9 或 DO <4 mg L?1）有利于沉積物中磷的解吸。

沉積物作為關鍵磷源：墊內困住的細沉積物是生物可利用磷（如金屬氧化物結合磷）的重要倉庫，其釋放的DRP濃度可達河水的320倍，直接緩解了Phormidium的磷限制。

站點差異的驅動因素：沉積物沉積速率和磷含量在站點間差異（如站點C最高）部分解釋了Phormidium增殖程度的不同，但其他因素（如溶解無機氮濃度）也可能起作用。

 

生態意義：在低營養河流中，Phormidium通過“工程”自身微環境從沉積物中獲取磷，這是一種適應策略，解釋了其能在低磷水體中增殖的原因。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產的pH微電極（型號pH-50，尖端直徑50μm）測量了Phormidium墊內的pH垂直剖面和時間變化。這些數據的研究意義至關重要：

 

提供高分辨率的原位pH證據：Unisense pH微電極能以100微米的垂直步長精確測量墊內不同深度的pH值（圖4a）。這種高空間分辨率避免了傳統取樣對墊結構的破壞，直接“可視化”了墊內極端堿性環境（pH >9.4）的形成和范圍。數據顯示pH在墊表層0.1-0.6 mm深度急劇升高并維持高位，這準確定位了磷解吸可能發生的“熱點區域”。

驗證關鍵假設并揭示動態過程：研究假設白天光合作用會升高墊內pH。Unisense電極的時間序列數據（圖4b）顯示，墊內pH在白天從7.0升至10.0，而河水pH僅7.0-8.0。這直接證實了光合作用驅動pH升高的假設，并且表明這種堿性條件持續數小時，為磷從金屬氧化物（如鐵、鋁氧化物）表面解吸提供了充分的化學驅動力。

關聯生物活動與地球化學響應：pH微剖面數據與光合參數測量（圖5）相結合，揭示了生物活動（光合作用）如何通過改變微環境（pH）來影響磷的生物地球化學循環。高pH條件有利于磷酸鹽從沉積物中的金屬氧化物結合態釋放，這與觀測到的墊內高DRP濃度（表S1）高度一致，形成了“光合作用-pH升高-磷釋放”的機制鏈條。

 

評估磷釋放的持續時間與生態效應：基于Unisense數據，墊內每天有長達8小時的pH>9.0期，加上夜間低氧期，每天共約22小時的環境條件可能促進磷釋放。這量化了沉積物磷源對Phormidium的“供應窗口”，強調了微環境變化在維持藍藻競爭優勢中的重要性。

 

總之，Unisense pH微電極提供的高分辨率原位數據，不僅是描述墊內化學狀態的工具，更是連接Phormidium代謝活動（光合）與沉積物磷釋放之間因果關系的核心證據。其測量結果直接支撐了“沉積物作為磷源”的核心論點，深化了對低營養河流中藍藻增殖機制的理解。