Composition and distribution of biodegradable compounds in phytoplankton-dominated

zone of Lake Taihu

太湖藻型湖區沉積物中生物易降解物質組成及分布規律

來源：J. Lake Sei(湖泊科學)，2019, 31(4): 941-949

 

論文摘要

本研究聚焦于富營養化湖泊太湖藻型湖區（竺山灣）沉積物中生物易降解有機質（BOM） 的組成、含量及其垂向分布規律。通過采集湖濱帶和開敞湖區的沉積物柱狀樣，綜合運用微電極原位剖面測量和實驗室分析技術，揭示了藻華衰亡導致的藻源性有機質大量輸入如何顯著改變沉積物-水界面（SWI）的物理化學環境（如形成強還原條件），并詳細刻畫了沉積物中蛋白質、糖類和脂類等易降解組分的空間分布特征。研究發現，湖濱帶由于藻屑堆積，其沉積物BOM含量顯著高于開敞湖區；BOM的組成以脂類（7.7 mg/g）為主導，其次是糖類（4.5 mg/g），蛋白質（0.8 mg/g）含量最低。該研究為理解藻源性內源污染的形成與演化提供了重要的地球化學依據。

 

研究目的

 

闡明藻華衰亡對沉積物環境的影響：探究藻類大量衰亡、沉降后，如何改變沉積物-水界面的氧化還原狀態（DO, Eh, pH, H?S）及沉積物基本性質（含水率、燒失量）。

解析有機質來源與組成：確定藻型湖區沉積物中有機質的主要來源（藻源 vs. 陸源）及其生物易降解組分（蛋白質、糖類、脂類）的組成與垂向分布特征。

揭示空間異質性規律：對比湖濱帶（受人類活動和藻屑堆積影響顯著）與開敞湖區（水動力較強）沉積物在理化性質和BOM分布上的差異。

 

評估生態風險：為富營養化湖泊內源污染負荷評估及黑臭現象（與H?S產生相關）的防控提供科學基礎。

 

研究思路

研究遵循“空間對比-原位監測-實驗室分析-綜合解析”的思路：

 

空間布點與采樣：在太湖竺山灣藻型湖區選取4個代表性點位（圖1），包括2個湖濱帶點位（L1, L2）和2個開敞湖點位（C1, C2），利用柱狀采樣器采集沉積物樣品（按2 cm間隔分層）。

 

原位高分辨率監測：使用丹麥Unisense微電極系統，原位測量沉積物-水界面處溶解氧（DO）、pH、氧化還原電位（Eh）、硫化氫（H?S） 的垂直微剖面（分辨率500 μm），捕捉界面的真實化學梯度。

實驗室多指標分析：

 

基礎性質：測定每層沉積物的含水率、燒失量（LOI）。

有機質來源示蹤：測定葉綠素a（Chl-a）、脫鎂葉綠素（Pheophytin）、總有機碳（TOC）、總氮（TN），并通過C/N比判別有機質來源。

 

生物易降解組分定量：采用標準生化方法測定總蛋白（改進Lowry法）、總糖（苯酚-硫酸法）、總脂（甲醇-氯仿法） 的含量。

 

數據整合與機理推斷：對比不同點位的垂向分布數據，結合原位微環境測量結果，綜合解析藻華衰亡影響下BOM的分布規律及其環境效應。

 

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：

 

沉積物-水界面微環境參數（DO, pH, Eh, H?S）：

 

意義：直接反映了藻類有機質降解消耗氧氣、產生還原性物質的過程。數據顯示湖濱帶界面DO、Eh、pH顯著低于開敞湖區，而H?S濃度更高，證實了湖濱帶是藻源性有機質降解的“熱點區”，形成了強烈的厭氧、還原環境，這是驅動后續硫化物生成、營養鹽釋放等環境問題的關鍵。

 

來源：數據由丹麥Unisense微電極測量，見圖2。

 

沉積物基礎性質（含水率、燒失量-LOI）：

 

意義：LOI間接反映了有機質含量。數據顯示湖濱帶沉積物含水率和LOI均高于開敞湖區，且表層15 cm內數值最高，表明藻源性有機質主要堆積在表層，使其成為有機質降解和化學反應最活躍的層段。

 

來源：數據見圖3。

 

藻源性有機質示蹤指標（Chl-a, Pheophytin, TOC/TN）：

 

意義：Chl-a及其降解產物Pheophytin是藻源性輸入的直接證據。湖濱帶Chl-a含量（14.9 μg/g）遠高于開敞湖區（3.7 μg/g）。C/N比顯示，湖濱帶沉積物C/N比（5.6-11.3）更接近藻類特征（4-10），而開敞湖區C/N比（6.3-19.8）更高，證實湖濱帶有機質以藻源為主，開敞湖區為藻源與陸源混合輸入。

 

 

來源：Chl-a數據見圖4；C/N比數據見圖5。

 

生物易降解有機質（BOM）組分（蛋白質、糖類、脂類）：

 

意義：定量揭示了沉積物中可供微生物快速利用的“活性”有機碳庫的構成與儲量。脂類是絕對主導組分（7.7 mg/g），其次是糖類（4.5 mg/g），蛋白質（0.8 mg/g）含量最低。湖濱帶BOM含量顯著高于開敞湖區，明確了湖濱帶是內源污染釋放的潛在風險區。

 

來源：數據見圖6。

 

研究結論

 

藻華衰亡創造強還原環境：藻源性有機質的大量輸入和降解，顯著降低了沉積物-水界面的DO、Eh和pH，使湖濱帶形成強厭氧還原環境，并產生了更高濃度的H?S，為“黑臭”現象的發生提供了條件。

有機質來源空間分異：湖濱帶沉積物有機質主要來源于藻類，而開敞湖區有機質為藻源與陸源混合輸入。

BOM組成以脂類為主：沉積物中生物易降解有機質（BOM）的組成存在顯著差異，脂類含量最高，蛋白質含量最低，這可能與蛋白質在沉降過程中更易被降解有關。

 

湖濱帶是內源污染熱點：湖濱帶由于藻屑堆積，其沉積物中有機質含量和BOM含量均顯著高于開敞湖區，使其成為內源污染釋放和二次污染風險更高的關鍵區域。

 

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（SWI）的溶解氧（DO）、pH、氧化還原電位（Eh）和硫化氫（H?S） 的垂直剖面（方法部分1.2，結果部分2.1）。

詳細研究意義如下：

 

精準捕捉界面化學梯度，揭示藻華衰亡的初級環境效應：Unisense微電極的毫米級分辨率（500 μm） 和原位測量能力，成功捕捉到因藻類有機質降解而導致的SWI化學參數的劇烈變化。數據顯示，從水體進入沉積物僅數毫米，DO和Eh就急劇下降至接近零（圖2a,c），直觀地證實了藻源性有機質降解耗氧、創建強還原環境的核心過程。這是理解后續一系列生物地球化學反應（如硫酸鹽還原產生H?S）的起點。

定量刻畫空間異質性，定位污染熱點：微電極數據清晰地顯示，湖濱帶沉積物的DO、Eh、pH普遍低于開敞湖區，而H?S濃度則更高（圖2d）。這從地球化學角度提供了確鑿證據，證明湖濱帶由于更容易積累藻屑，其有機質降解強度更大，還原程度更深，是產生H?S等惡臭物質和呈現缺氧狀態的核心區域。這為湖泊管理提供了精準的治理靶區。

明確H?S的生成與分布，關聯“黑臭”風險：H?S微剖面（圖2d）顯示其濃度隨深度先降后升，并在湖濱帶出現峰值（12.6 μmol/L）。這不僅直接證明了硫酸鹽還原菌的活躍活動，還將藻華衰亡（提供有機底物）、強還原環境（提供熱力學條件）和H?S生成（導致惡臭和沉積物發黑）三者有機地聯系起來，為解釋和預測湖泊“黑臭”現象提供了關鍵的現場數據。

 

技術優勢保障數據真實性：與傳統采樣-實驗室分析相比，Unisense微電極的原位測量避免了樣品脫離原始環境后化學狀態的改變（如氧化），獲得的數據更真實地反映了SWI的微觀化學環境。其高分辨率使得能夠精確界定化學躍變層的位置和厚度，這是常規手段無法實現的。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極獲得的數據遠不止于幾個化學參數的測量。它是診斷沉積物-水界面健康狀態的“聽診器”，通過提供高保真、高分辨率的原位地球化學影像，使研究者能夠清晰地“看到”藻華衰亡如何在界面處創建出一個還原性的化學場，并精準定位出環境影響最嚴重的區域。這些數據是支撐本研究核心結論——湖濱帶是藻華降解和內源污染熱點——的最直接、最有力的證據。