Addressing algal blooms by bio-pumps to reduce greenhouse gas production and emissions with multi-path  

利用生物泵多路徑處理藻華以減少溫室氣體產(chǎn)生和排放  

來源：Chemosphere, volume 270, article number 128666, 2021  

《化學(xué)圈》第270卷，文章編號(hào)128666，2021年  

 

摘要內(nèi)容

 

研究提出一種以沉水植物為核心的"生物泵"系統(tǒng)，結(jié)合絮凝（PAC）和封蓋技術(shù)，用于控制藻華并減少溫室氣體排放。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：  

1. 藻類去除與DO提升：生物泵實(shí)現(xiàn)98%的藻類去除率，并持續(xù)改善水體和沉積物的溶解氧（DO）水平（圖1a）。  

 

2. 微生物群落調(diào)控：系統(tǒng)降低產(chǎn)甲烷菌基因（mcrA）豐度，增加甲烷氧化菌基因（pmoA）豐度（圖5），改變?cè)孱愄嫉拇x路徑。  

 

3. 溫室氣體減排：40天培養(yǎng)后，生物泵較單純絮凝-封蓋處理減少69.07% CH?和77.57% CO?排放（圖2），主要?dú)w因于厭氧產(chǎn)甲烷抑制、CH?好氧氧化及沉水植物固碳作用。  

 

4. 碳轉(zhuǎn)化路徑：13C標(biāo)記證實(shí)藻類碳被沉水植物吸收（表1），實(shí)現(xiàn)藻源有機(jī)質(zhì)向植物生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。  

 

研究目的

 

1. 開發(fā)一種生態(tài)友好型藻華控制方法，減少傳統(tǒng)化學(xué)絮凝（如PAC）的殘留風(fēng)險(xiǎn)。  

2. 探究生物泵系統(tǒng)對(duì)水體微環(huán)境（DO、微生物群落）的調(diào)控機(jī)制。  

3. 量化系統(tǒng)對(duì)溫室氣體（CH?、CO?）排放的抑制效果，解析碳轉(zhuǎn)化路徑。  

 

研究思路

 

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

   ? 以滇池藻華水體為對(duì)象，建立三組微宇宙系統(tǒng)：對(duì)照組（無(wú)處理）、絮凝-封蓋組（PAC+土壤封蓋）、生物泵組（PAC+封蓋+沉水植物苦草）。  

 

   ? 使用13C標(biāo)記藻類（Chlorella pyrenoidosa）追蹤碳去向。  

 

2. 參數(shù)監(jiān)測(cè)：  

   ? DO動(dòng)態(tài)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上覆水DO（圖1a），Unisense微電極測(cè)定沉積物-水界面氧剖面（圖1b）。  

 

   ? 溫室氣體通量：靜態(tài)箱法測(cè)量水-氣界面CH?/CO?通量（圖2），F(xiàn)ick定律計(jì)算沉積物-水界面擴(kuò)散通量。  

 

   ? 微生物分析：qPCR定量mcrA/pmoA基因（圖5），高通量測(cè)序分析微生物群落（圖4）。  

 

   ? 碳去向：元素分析儀測(cè)定沉積物/植物碳含量及13C豐度（表1）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. DO動(dòng)態(tài)（圖1）：  

   ? 數(shù)據(jù)：生物泵組DO從3.20 mg/L升至13.01 mg/L（40天），氧滲透深度達(dá)12 mm（對(duì)照組僅1.7 mm）。  

 

   ? 意義：沉水植物光合作用顯著改善水體氧環(huán)境，抑制沉積物厭氧代謝。  

 

2. 溫室氣體通量（圖2, 圖3）：  

   ? 數(shù)據(jù)：生物泵組CH?平均通量（水-氣界面2.18 mg·m?2·d?1）較絮凝組（7.69 mg·m?2·d?1）降低71.6%；13CH?排放量?jī)H0.08 mg（絮凝組0.56 mg）。  

   ? 意義：證明生物泵通過好氧環(huán)境抑制產(chǎn)甲烷并促進(jìn)CH?氧化。  

 

3. 微生物基因豐度（圖5）：  

   ? 數(shù)據(jù)：生物泵組mcrA基因拷貝數(shù)（2.14×10? copies·g?1）較絮凝組（4.08×10?）降低47.5%，pmoA基因增加28%。  

 

   ? 意義：微生物群落調(diào)控是減少CH?生成的關(guān)鍵機(jī)制。  

 

4. 碳去向（表1）：  

   ? 數(shù)據(jù)：沉水植物吸收13C標(biāo)記碳（豐度1.64%），沉積物碳含量降至2.38%（絮凝組3.40%）。  

 

   ? 意義：證實(shí)藻類碳轉(zhuǎn)化為植物生物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)碳封存。  

 

結(jié)論

 

1. 高效藻控：生物泵通過絮凝-封蓋快速沉降藻類，沉水植物抑制藻類再懸浮，實(shí)現(xiàn)98%持續(xù)去除率。  

2. 氧環(huán)境重塑：沉水植物光合作用提升DO至超飽和狀態(tài)（>13 mg/L），擴(kuò)大沉積物好氧層深度（12 mm）。  

3. 溫室氣體減排：三重機(jī)制（抑制產(chǎn)甲烷菌、增強(qiáng)甲烷氧化、植物固碳）降低69% CH?和78% CO?排放。  

4. 碳路徑轉(zhuǎn)型：藻類碳經(jīng)13C標(biāo)記證實(shí)向沉水植物生物質(zhì)轉(zhuǎn)移，減少礦化為溫室氣體。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

 

Unisense微電極（型號(hào)OX-25）用于高分辨率測(cè)定沉積物氧剖面，其核心價(jià)值包括：  

1. 揭示氧滲透機(jī)制：  

   ? 電極數(shù)據(jù)顯示生物泵組沉積物氧滲透深度達(dá)12,000 μm（圖1b），較對(duì)照組（1,700 μm）提升7倍，直觀證明沉水植物根系泌氧對(duì)沉積物好氧層的擴(kuò)展作用。  

 

2. 關(guān)聯(lián)微生物活性：  

   ? 氧剖面與mcrA/pmoA基因分布耦合（圖5）：深層厭氧區(qū)（>12 mm）仍存在mcrA高表達(dá)，但淺層好氧區(qū)（0–12 mm）pmoA基因豐度顯著增加，解釋CH?氧化效率提升。  

 

3. 支持減排機(jī)制：  

   ? 電極數(shù)據(jù)定量證實(shí)好氧層厚度與CH?氧化率正相關(guān)（pmoA基因增加28%），為"氧屏障抑制產(chǎn)甲烷"提供原位證據(jù)，明確生物泵減少69% CH?排放的微尺度機(jī)制。  

 

科學(xué)價(jià)值：Unisense電極以100 μm分辨率捕捉沉積物氧梯度動(dòng)態(tài)，將植物生理活動(dòng)（根系泌氧）與微生物代謝功能（甲烷氧化）空間耦合，為生態(tài)工程調(diào)控溫室氣體提供機(jī)理依據(jù)。