研究簡介:藻類水華在全球范圍內對水體生態系統的負面影響，特別是其對營養物質循環的影響。藻類水華不僅直接影響水體的生產力，還通過沉積物中的營養物質和污染物的內部負荷，持續促進水體富營養化。沉積物-水界面是物質交換和營養物質流動的關鍵區域，受到多種物理、化學和生物相互作用的影響。磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）是水生態系統中的關鍵營養物質，它們的循環對水體富營養化和藻類水華的形成具有重要影響。

磷是水體富營養化的主要貢獻者，而鐵是氧化還原敏感金屬，對有機物的氧化和浮游植物水華的形成具有重要作用?？扇苄粤蚧锏亩拘暂^高，可能對生態系統產生影響。這些元素之間的沉積循環相互作用會影響其可利用性和流動性。藻類水華的增加可能導致藻類過度生長，隨后藻類降解，溶解氧缺乏，最終導致富營養化和生態惡化。藻類降解后，藻類可能沉淀并在湖床上沉降，釋放出豐富的顆粒/可溶/膠體營養物質到周圍區域。這些過程直接促進了P、Fe和S的更高可利用性，并可能顯著改變底棲環境的物理和生物特征，如溶解氧、pH值、電位、濁度和顆粒物，從而強烈修改營養物質循環。盡管如此，由于缺乏原位高分辨率監測技術，研究人員對沉積物-水界面處P、Fe和S循環的理解仍然有限。傳統的采樣方法可能會改變樣本的原始特性，導致分析誤差。DGT技術作為一種動態采樣技術，能夠最小化傳統采樣方法所帶來的問題，如分析物污染和采樣過程中分析物形態變化。該技術在允許高空間分辨率下進行多種溶質的原位測量方面具有獨特優勢，使其成為理解與關鍵元素相關的生物地球化學過程的強大工具。

本研究通過實驗室培養實驗，推進對藻類降解對沉積物-水界面P、Fe和S動態影響的理解。研究首次使用了包括微電極和兩種結合DGT（ZrO-Chelex和ZrO-AgI DGT）在內的兩種原位高分辨率技術，以提供P、Fe和S及相關環境因素的詳細數據，重新評估藻類降解過程中這些元素的循環。研究結果有助于澄清藻類水華降解對富營養湖泊營養物質循環的貢獻。

Unisense微電極研究系統的應用

Unisense微電極系統被用于測量沉積物中的氧化還原電位（Eh），Unisense微電極系統精確測量沉積物中的Eh剖面，微電極的移動和定位精度為1μm，由unisense微操控器馬達控制，確保了測量的準確性.氧化還原電位（Eh）是一種關鍵的環境參數，用于評估沉積物中的氧化還原條件，通過比較對照組和處理組（添加藻類水華浮渣的沉積物）的Eh剖面，能夠評估藻類分解對沉積物氧化還原狀態的影響，這對于理解沉積物-水界面處營養物質的循環和轉化至關重要。

實驗結果

揭示了藻類水華分解對沉積物-水界面（SWI）處磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）循環的顯著影響。研究發現在藻類分解過程中，SWI處的可溶性磷、鐵和硫濃度顯著增加，這一現象與藻類分解的強度和速度密切相關。特別是在培養的前8至10天內，這些元素的濃度持續上升，隨后隨著分解過程的減弱而逐漸下降。藻類分解不僅增加了沉積物中可溶性磷和硫的濃度，還在SWI附近形成了明顯的濃度梯度，這表明藻類分解產生的營養物質在沉積物中積累，并加速了營養物質的釋放。此外，藻類分解還改變了SWI附近的氧化還原條件，促進了沉積物中鐵的還原和溶解，增加了可溶性鐵的釋放。研究還發現藻類分解過程中，沉積物中的Fe氧化還原循環是控制磷釋放的主要機制。然而，在強烈的厭氧分解過程中，直接釋放的磷改變了這一機制。此外，藻類分解產生的鐵和硫在水柱中迅速形成黑色硫化亞鐵沉淀，這可能是導致富營養湖泊中黑色水華頻繁發生的原因。

圖1、在培養期間水柱中SRP、可溶性Fe(II)和可溶性S(-II)的變化.

圖2、實驗中對照組（左）和處理組（右）沉積物剖面深度的Eh變化

圖3、對照組（左）和處理組（右）沉積物-覆蓋水剖面中DGT可溶性P（CDGT-P）的變化。陰影區域表示SWI上方20毫米深度的覆蓋水。

圖4、對照組（左）和處理組（右）沉積物-覆蓋水剖面中DGT可溶性Fe（CDGT-Fe）的深度變化。陰影區域表示SWI上方20毫米深度的覆蓋水。

圖5、實驗中對照組（左）和處理組（右）沉積物剖面中DGT可溶性S的深度變化。陰影區域表示SWI上方20毫米深度的覆蓋水。

結論與展望

本研究探討了藻類水華對湖泊沉積物-水界面（SWI）中磷（P）、鐵（Fe）和硫（S）動態的未知影響。研究人員在自然環境中進行了一個中型生態實驗，以研究這些影響，采用了兩種新近開發的薄膜擴散梯度技術（DGT）。在藻類添加的水柱中，可溶性P、Fe(II)和S(-II)表現出類似的變化趨勢。在為期16天的實驗中，第7天出現了峰值濃度。實驗進行到一半時，Eh值最低，表明藻類降解顯著。第8天，SWI附近的DGT-可生物利用S達到了最大增加，而DGT-可生物利用P和Fe則在實驗結束前持續增加。觀察到可生物利用P與沉積物中可生物利用Fe和S之間的顯著正相關，表明在藻類降解過程中，P的原始Fe耦合動態發生了顯著變化。根據DGT剖面計算的明顯通量表明，降解藻類的P和S同時釋放，導致沉積物向上覆水體的雙向擴散通量。相比之下，沉積物作為可生物利用Fe的主要來源，因其深度增加和明顯的正通量。本研究首次使用了unisense微電極系統結合DGT（ZrO-Chelex和ZrO-AgI DGT）在內的兩種原位高分辨率技術，以提供P、Fe和S及相關環境因素的詳細數據，重新評估藻類降解過程中這些元素的循環。研究結果有助于澄清藻類水華降解對富營養湖泊營養物質循環的貢獻。這項研究對于理解藻類水華對水體生態系統的長期影響具有重要意義，并為湖泊管理和富營養化控制提供了科學依據。