Benthic cyanobacterial detritus mats in lacustrine sediment:Characterization and odorant producing potential

湖沼沉積物中底棲藍藻碎屑墊表征和氣味產生潛力

來源：Environmental Pollution

 

論文摘要

本研究探討了富營養化湖泊（太湖）中底棲藍藻碎屑墊的形成、特征及其產生致臭物質的潛力。通過現場調查與室內分析，發現藍藻水華衰亡后大量碎屑被水生植物捕獲并沉積，在沉積物表層形成缺氧、還原性、低pH的碎屑墊。這些碎屑墊在分解過程中產生大量致臭物質，其濃度在有植被區域（3-52倍）顯著高于無植被區域。主要致臭物包括二甲基三硫醚（DMTS）、β-紫羅蘭酮和β-環檸檬醛，平均含量分別達52.38、162.20和307.51 ng·(g·dw)?1。研究證實致臭物的生成與沉積物中可生物降解化合物（蛋白質、碳水化合物、脂質）的分布顯著相關，且上覆水與沉積物中的致臭物濃度呈對稱分布，表明存在從沉積物向上覆水擴散的風險。該研究揭示了底棲藍藻碎屑墊作為湖泊內源污染的重要來源，對富營養化湖泊管理具有指導意義。

研究目的

 

表征底棲藍藻碎屑墊：明確水華后藍藻碎屑在沉積物中的積累形態、理化特性及空間分布（有植被vs無植被區）。

評估致臭物質產生潛力：量化碎屑墊分解過程中關鍵致臭物（如硫醚、萜類）的生成量及其環境驅動因素。

揭示機制關聯：探究致臭物與可生物降解化合物（蛋白質、碳水化合物、脂質）之間的相關性，建立預測模型。

 

評估生態風險：分析致臭物從沉積物向上覆水擴散的潛在風險，為湖泊治理提供科學依據。

 

研究思路

研究采用“現場采樣-高分辨率監測-多參數分析-統計驗證”的思路：

 

現場采樣設計：在太湖竺山灣選擇4個點位（A、D無植被；B、C有蘆葦植被），采集沉積物柱樣（0-30 cm）和上覆水樣。

微環境原位監測：使用丹麥Unisense微電極系統原位測量沉積物-水界面的溶解氧（DO）、硫化氫（H?S）、氧化還原電位（Eh）和pH的垂直微剖面（數據見圖1），界定碎屑墊的化學環境特征。

多參數實驗室分析：

 

基本參數：測定沉積物總有機碳（TOC）、總氮（TN）、總磷（TP）、水分含量、灼燒失重（圖2、圖3）。

 

 

生物標志物：分析葉綠素-a（Chl-a）、脫鎂葉綠酸（pheophorbide-a）以指示藍藻殘留（圖3）。

可降解化合物：量化蛋白質、碳水化合物、脂質含量（圖4）。

 

 

致臭物質：采用SPME-GC/MS檢測6種關鍵致臭物（DMDS、DMTS、2-MIB、geosmin、β-cyclocitral、β-ionone）在沉積物和上覆水中的分布（圖5、圖6）。

 

 

 

數據整合與建模：通過相關分析、多元回歸（表1、表2）建立可降解化合物與致臭物的定量關系，評估擴散風險。

 

 

 

測量數據及其研究意義（注明來源）

研究測量了多維度數據，其意義和來源如下：

 

微環境參數（DO、H?S、Eh、pH）垂直剖面：

 

意義：揭示碎屑墊的缺氧、還原性本質（植被區Eh<193 mV，H?S濃度高），為致臭物（如硫化物）的生成提供必要的厭氧條件。無植被區氧化性更強（Eh>350 mV），致臭風險低。

 

來源：數據見圖1，由Unisense微電極測量。

 

沉積物基本參數（TOC、TN、TP）垂直分布：

 

意義：植被區TOC、TN、TP含量顯著更高（TOC均值13.05 vs 10.06 g·kg?1），證實水生植物促進了藍藻碎屑的捕獲與積累。TOC/TN比值（植被區<10）指示有機質主要源于藍藻而非陸生植物。

 

來源：數據見圖2。

 

生物標志物（Chl-a、pheophorbide-a）及物理參數：

 

意義：植被區Chl-a和pheophorbide-a含量更高（均值6.39和15.98 μg·g?1），直接證明藍藻碎屑的大量沉積。水分和灼燒失重的高值進一步支持有機質富集。

 

來源：數據見圖3。

 

可生物降解化合物（蛋白質、碳水化合物、脂質）分布：

 

意義：植被區可降解化合物含量顯著更高（脂質主導），這些物質是微生物分解的底物，與致臭物生成直接相關。其垂直波動反映碎屑沉積的不連續性。

 

來源：數據見圖4。

 

沉積物致臭物質垂直分布：

 

意義：植被區致臭物濃度極高（如β-cyclocitral達2561 ng·g?1），且隨深度劇烈波動，表明碎屑墊是“熱點”源。無植被區濃度低且隨深度遞減，擴散風險小。

 

來源：數據見圖5及附表S2。

 

上覆水與沉積物致臭物對稱分布：

 

意義：上覆水與沉積物中致臭物濃度變化趨勢對稱（圖6），證明沉積物是上覆水致臭物的直接來源，存在持續擴散風險。

 

來源：數據見圖6。

 

研究結論

 

碎屑墊形成與特征：水生植被（如蘆葦）高效捕獲藍藻碎屑，形成厚達30 cm的有機質富集層（植被區TOC、TN、TP比無植被區高30-50%）。該層呈缺氧、還原、酸性環境（低DO、低Eh、低pH），富含可降解有機物（蛋白質、碳水化合物、脂質）。

致臭物產生熱點：植被區沉積物是致臭物的主要來源地，濃度是無植被區的3-52倍，其中β-環檸檬醛、β-紫羅蘭酮和DMTS是優勢組分。其生成與可降解化合物含量顯著相關（p<0.01），多元回歸表明這些化合物可有效預測致臭潛力（表2）。

擴散風險：沉積物與上覆水中致臭物濃度呈對稱分布，表明碎屑墊分解產物可擴散至水體，威脅水質安全。

 

管理啟示：控制內源污染需關注植被區底泥疏浚，以減少可降解有機物負荷，阻斷致臭物生成與釋放鏈條。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense公司的微電極系統被用于原位、高分辨率地測量沉積物-水界面的溶解氧（DO）、硫化氫（H?S）、氧化還原電位（Eh）和pH的垂直微剖面（數據見圖1）。

詳細研究意義如下：

 

精確界定致臭物生成的化學環境：Unisense微電極以毫米級分辨率實時測定了沉積物剖面的DO、Eh、H?S和pH。數據清晰顯示，植被區沉積物表層（0-4 cm）的Eh急劇下降至<200 mV，同時H?S濃度升高（圖1b、c）。這直接證實了碎屑墊內強烈的還原環境，為硫酸鹽還原菌等厭氧微生物提供了理想條件，驅動了含硫致臭物（如DMDS、DMTS）的生成。而無植被區較高的Eh（>350 mV）抑制了這些過程。

建立環境梯度與生態功能的因果聯系：高分辨率剖面揭示了化學參數的陡峭梯度。例如，DO在植被區僅穿透至水下2.5 mm深處（圖1a），表明有機質快速耗氧，導致緊鄰界面下方即轉為厭氧狀態。這種精確的空間關聯將表層碎屑的輸入（高TOC）與底層厭氧代謝（致臭物產生）直接耦合，避免了傳統分層采樣可能模糊的因果關系。

支撐關鍵機制論證：Unisense數據為“厭氧環境驅動致臭”的核心論點提供了最直接的證據。Eh和H?S的同步變化（圖1b、c）與硫醚類致臭物的峰值出現（圖5a、b）在空間上高度一致，強有力地證明了還原性硫循環的關鍵作用。pH剖面（植被區低至6.84）進一步提示酸性環境可能影響微生物群落結構及代謝途徑。

 

技術優勢賦能科學發現：Unisense微電極的原位、無損、高精度測量避免了采樣擾動，捕獲了傳統方法無法分辨的微尺度變化。其快速響應（5秒） 能力使研究人員能夠獲得真實、動態的環境快照。這些高質量數據是后續統計建模（如致臭物與Eh的相關性）和風險評估的可靠基礎。

 

綜上所述，Unisense微電極獲得的數據不僅是環境參數記錄，更是解析底棲生物地球化學過程機制的鑰匙。它通過提供無可辯駁的原位證據，將藍藻碎屑的物理積累、化學環境改變和致臭物生物生成這三個關鍵環節緊密聯系起來，最終支撐了本研究關于“植被區底棲碎屑墊是湖泊致臭風險熱點”的核心結論。