Stimulation of high-concentration dissolved nitrogen and reactive phosphorus in Lake Taihu sediments on the initiation and maintenance of cyanobacterial blooms  

太湖沉積物中高濃度溶解態(tài)氮和活性磷對藍(lán)藻水華爆發(fā)與維持的刺激作用  

來源：Science of the Total Environment, Volume 851, 2022, Article 158088  

《總體環(huán)境科學(xué)》第851卷，2022年，文章編號158088  

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過太湖梅梁灣沉積物月度采樣（2018-2019），結(jié)合高分辨率孔隙水采樣技術(shù)（HR-Peeper），揭示沉積物溶解態(tài)無機(jī)氮（DIN：NH??-N、NO??-N、NO??-N）和活性磷（DRP）對藍(lán)藻水華的關(guān)鍵作用：  

水華爆發(fā)期（4月）：深層沉積物（>110 mm）出現(xiàn)異常高濃度NO??-N（2.26 mg/L）和NO??-N（0.18 mg/L），推測由地下水輸入引發(fā)（圖3）。這些電子受體促進(jìn)有機(jī)磷礦化，導(dǎo)致DRP釋放（0.16-0.41 mg/L），緩解水體磷限制（圖4），刺激5月藍(lán)藻大規(guī)模爆發(fā)（葉綠素a達(dá)1354 μg/L）（圖1）。  

 

 

 

 

 

水華維持期（6-8月）：表層沉積物因藍(lán)藻殘?bào)w礦化釋放高濃度NH??-N，經(jīng)古菌氨氧化作用（相對豐度87.99%）轉(zhuǎn)化為NO??-N和NO??-N（圖3,6），同時(shí)DRP維持高位。此過程為9月藍(lán)藻復(fù)發(fā)提供氮磷支持（圖1）。  

 

 

研究目的

闡明太湖沉積物DIN和DRP的時(shí)空分布特征。  

 

探究沉積物營養(yǎng)鹽動(dòng)態(tài)對藍(lán)藻水華爆發(fā)與維持的影響機(jī)制。  

 

研究思路

月度原位采樣：2018年11月-2019年10月，采集梅梁灣沉積物柱狀樣（含上覆水）及孔隙水（HR-Peeper，5 mm分辨率）。  

 

多參數(shù)分析：  

 

地球化學(xué)：DIN、DRP、UV254、熒光EEM光譜（圖3,5）  

 

 

沉積物性質(zhì)：TN、TP、TOC（圖2）  

 

 

微生物：16S rRNA測序（古菌/細(xì)菌群落及功能預(yù)測）（圖6）  

機(jī)制驗(yàn)證：  

 

結(jié)合水文數(shù)據(jù)（降雨量、水位）解析地下水輸入（圖7）  

 

 

通過功能預(yù)測（FAPROTAX）關(guān)聯(lián)微生物過程與營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化（圖6）  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

孔隙水營養(yǎng)鹽剖面（圖3）  

 

數(shù)據(jù)：4月深層（>110 mm）NO??-N峰值（2.26 mg/L）；6月表層NO??-N（0.82 mg/L）和DRP（0.28 mg/L）同步升高。  

 

意義：揭示地下水輸入（4月）和藻殘?bào)w礦化（6月）是驅(qū)動(dòng)沉積物營養(yǎng)鹽釋放的兩大關(guān)鍵過程。  

微生物功能（圖6）  

 

數(shù)據(jù)：6月表層沉積物古菌氨氧化菌（Nitrososphaeria）相對豐度達(dá)87.99%，顯著高于細(xì)菌氨氧化菌（<1.2%）。  

 

意義：證實(shí)古菌主導(dǎo)氨氧化過程，將藻源NH??-N轉(zhuǎn)化為NO??-N，維持夏季氮循環(huán)。  

水體營養(yǎng)鹽比例（圖4）  

 

數(shù)據(jù)：5月水體TN/TP驟降（45→17），標(biāo)志營養(yǎng)限制由磷限制轉(zhuǎn)為氮磷共限制。  

 

意義：沉積物DRP釋放（4月）直接緩解水體磷限制，觸發(fā)藍(lán)藻爆發(fā)。  

 

結(jié)論

水華觸發(fā)機(jī)制：4月地下水輸入NO??-N促進(jìn)沉積物有機(jī)磷礦化，DRP釋放緩解水體磷限制，刺激5月藍(lán)藻爆發(fā)。  

 

水華維持機(jī)制：6-8月藻殘?bào)w礦化釋放NH??-N，經(jīng)古菌氨氧化轉(zhuǎn)化為NO??-N，與DRP共同支持9月藍(lán)藻復(fù)發(fā)。  

 

微生物作用：古菌（而非細(xì)菌）主導(dǎo)沉積物氨氧化過程，是夏季氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

研究中使用的Unisense微電極系統(tǒng)（方法部分）原位測定了沉積物溶解氧（DO）穿透深度：  

氧化層厚度界定：  

 

電極數(shù)據(jù)顯示DO穿透深度<5 mm，明確沉積物氧化-缺氧界面位置。  

 

意義：解釋氨氧化作用（需氧）僅發(fā)生在最表層（0-5 mm），而深層（>110 mm）厭氧環(huán)境排除本地硝化作用可能，佐證4月深層NO??-N來自地下水輸入。  

氧化還原狀態(tài)驗(yàn)證：  

 

4月深層沉積物DO=0（嚴(yán)格厭氧），但NO??-N濃度異常高（2.26 mg/L）。  

 

意義：證實(shí)深層NO??-N非本地產(chǎn)生，支持地下水輸入假說；同時(shí)解釋該環(huán)境下反硝化/DNRA受抑制（需NO??-N作為電子受體）。  

過程機(jī)制耦合：  

 

6月表層DO較高（9.7 mg/L）支持氨氧化菌活性，與古菌豐度峰值（87.99%）空間匹配。  

 

意義：直接關(guān)聯(lián)物理（DO梯度）、化學(xué)（NH??-N轉(zhuǎn)化）、生物（古菌功能）過程，闡明藻殘?bào)w礦化-氨氧化-氮再生的完整路徑。  

 

核心價(jià)值：Unisense電極提供毫米級分辨率原位數(shù)據(jù)，克服傳統(tǒng)破壞性采樣的混合效應(yīng)，精準(zhǔn)捕捉沉積物微界面的氧化還原躍變（如氧化層厚度<5 mm），為"地下水輸入-厭氧代謝-磷釋放"和"藻殘?bào)w礦化-需氧氨氧化"兩條關(guān)鍵機(jī)制提供直接證據(jù)。