Algal Accumulation Decreases Sediment Nitrogen Removal by Uncoupling Nitrification-Denitrification in Shallow Eutrophic Lakes  

藻類聚集通過解耦硝化-反硝化作用降低淺水富營養化湖泊沉積物氮去除能力  

來源：Environmental Science & Technology, Volume 54, 2020, Pages 6194-6201

《環境科學與技術》第54卷，2020年，第6194-6201頁  

 

摘要內容

 

論文摘要指出，富營養化湖泊中藻類聚集會抑制沉積物氮去除能力。通過太湖現場監測和室內模擬實驗發現：  

1. 藻類聚集導致沉積物嚴重缺氧（氧滲透深度降至0 mm），抑制硝化作用（amoA基因豐度降低10倍），中斷硝酸鹽供應，進而限制反硝化作用。  

2. 重度藻聚集（HAA）處理使氮去除率降至173.9 μmol N m?2 h?1（較藻華處理降低79%），且現場監測顯示夏季藻聚集期氮去除率驟降90%。  

3. 估算表明：若藻類覆蓋太湖10%面積，全湖氮去除率將降至77.2 μmol N m?2 h?1，為藻華增殖創造"營養鹽滯留窗口"。  

 

研究目的

 

1. 揭示藻類聚集對沉積物硝化-反硝化耦合過程的影響機制。  

2. 量化藻類聚集程度與沉積物氮去除率的定量關系。  

3. 評估藻類聚集對淺水富營養化湖泊氮循環的生態風險。  

 

研究思路

 

1. 現場監測：2016-2017年每月采集太湖梅梁灣3個站點沉積物柱樣，原位測量氮氣通量（反硝化速率）、水體溶解氧（DO）、硝酸鹽（NO??）和葉綠素a（Chl-a）。  

2. 室內模擬：設置4種藻生物量梯度（NAB：無藻；AB：藻華水平30 μg Chl-a/L；LAA：5倍藻華150 μg Chl-a/L；HAA：10倍藻華300 μg Chl-a/L），監測30天內：  

   ? 沉積物氧滲透深度（Unisense微電極）  

 

   ? 上覆水氮形態（NH??、NO??、NO??）  

 

   ? 硝化菌（amoA基因）和反硝化菌（nirS、nosZ基因）豐度  

 

   ? 氮去除率（氮氣通量）  

 

測量數據及其研究意義與來源圖表

 

1. 沉積物氧滲透深度（圖2）  

   ? 意義：量化藻類分解耗氧強度——HAA處理24小時內氧滲透深度降至0 mm并持續15天（圖2D），證明重度藻聚集引發長期缺氧。  

 

2. 上覆水氮形態動態（圖3）  

   ? 意義：HAA處理出現NH??累積（峰值2.17 mg/L）和后期NO??驟升（1.73 mg/L），反映"缺氧抑制硝化→復氧后硝化恢復"過程。  

 

3. 微生物基因豐度（圖5）  

   ? 意義：HAA處理使硝化菌（amoA）豐度降至NAB處理的61%（0.99×10? vs 1.61×10? copies/g），導致反硝化底物供應中斷。  

 

 

4. 氮去除率（圖4，圖6）  

   ? 意義：實驗顯示HAA處理氮去除率比AB處理降低79%（173.9 vs 835.6 μmol N m?2 h?1）；現場數據證實藻聚集期（6-8月）氮去除率降至<10 μmol N m?2 h?1（圖6A）。  

 

 

5. 全湖尺度估算  

   ? 意義：藻覆蓋率達10%時，全湖氮去除率降至77.2 μmol N m?2 h?1（降低90.8%），顯著增加水體氮滯留風險。  

 

結論

 

1. 機制突破：藻類聚集通過耗氧抑制硝化作用（amoA豐度↓），打破硝化-反硝化耦合，導致反硝化"底物饑荒"。  

2. 定量關系：藻生物量每增加5倍（AB→HAA），氮去除率降低79%；現場觀測到藻聚集期氮去除率驟降90%。  

3. 生態風險：藻類覆蓋10%湖面即可使全湖氮去除能力下降90.8%，形成"藻華自維持"的正反饋循環。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

測量指標：沉積物氧滲透深度（0-30 mm深度，200 μm分辨率）  

設備：Unisense OX-50微電極（尖端50 μm）連接MM33-2微操縱器和PA2000皮安計  

研究意義：  

1. 揭示藻類分解的缺氧時空動態：  

   ? 高分辨率（200 μm）顯示HAA處理中氧滲透深度24小時內從8.2 mm驟降至0 mm（圖2D），直接驗證藻類聚集引發沉積物急性缺氧。  

 

   ? 機制關聯：缺氧持續時間與藻生物量正相關（LAA：10天 vs HAA：15天），解釋硝化菌抑制的時程差異（圖5A）。  

 

2. 定位氧化還原梯度界面：  

   ? 電極檢測到氧濃度最大梯度點（沉積物-水界面），為Fick定律計算擴散通量提供關鍵邊界條件（dc/dz）。  

 

   ? 技術優勢：避免傳統分層采樣誤差，準確定位NH??氧化區（0-2 mm）對缺氧的敏感性（圖3A與圖2D聯動）。  

 

3. 量化微生物代謝約束：  

   ? 氧滲透深度<2 mm時amoA基因豐度降低>50%（圖5A），建立氧可用性與硝化菌活性的定量關系（r=0.89, p<0.01）。  

 

   ? 管理價值：氧滲透深度可作為淺水湖沉積物氮去除潛力的預警指標（>5 mm高活性，<1 mm受抑制）。