Switching Harmal Algal Blooms to Submerged Macrophytes in Shallow Waters Using Geo-engineering Methods: Evidence from a 15N Tracing Study

使用地球工程方法將淺水有害藻華轉化為沉水植物的研究：基于15N示蹤的證據

來源：Environmental Science & Technology, volume 52, pages 11778-11785, year 2018

《環境科學與技術》，第52卷，第11778-11785頁，2018年

 

摘要

這篇論文研究了使用地球工程方法（絮凝和覆蓋）促進有害藻華（Microcystis aeruginosa）向沉水植物（Potamogeton crispus）轉化的過程。通過15N示蹤實驗，發現在絮凝-覆蓋處理下，藻華被移除，藻類分解加速，并且藻源氮能被沉水植物吸收。在8°C和25°C下，藻源氮的吸收率分別為3.3%和34.8%。研究表明，該方法能促進水生生態系統從藻類主導向植物主導的轉變。

 

研究目的

本研究旨在驗證絮凝-覆蓋的地球工程方法是否能有效促進淺水水體中有害藻華向沉水植物的轉化，并探究藻源氮的轉移過程和效率，以支持湖泊富營養化治理和生態恢復。

 

研究思路

研究采用實驗柱模擬淺水環境，對有害藻華進行絮凝（使用改性土壤）和覆蓋（使用天然土壤）處理，并在不同溫度（8°C、25°C和35°C）下培養。實驗分為藻類活力實驗和氮吸收實驗。藻類活力實驗測量葉綠素a濃度、藻細胞形態和光合/呼吸速率；氮吸收實驗使用15N標記藻類，追蹤氮在沉積物和植物中的轉移。通過統計分析比較不同處理組的效果。

 

測量的數據及研究意義

1 葉綠素a濃度數據：測量不同處理組（對照、絮凝無覆蓋、絮凝-覆蓋）在不同溫度下隨時間變化的葉綠素a濃度，來自圖1。研究意義是評估藻類生物量的去除效率，顯示絮凝-覆蓋處理能顯著降低葉綠素a濃度，尤其在高溫下效果更佳，表明該方法能有效控制藻華。

 

2 藻類形態數據：通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察藻細胞形態，來自圖2。研究意義是直接可視化藻細胞在處理后的變化，顯示絮凝-覆蓋處理導致藻細胞變形和裂解，證實處理能加速藻類衰亡。

 

3 光合和呼吸速率數據：使用丹麥Unisense微呼吸系統測量藻類的氧氣變化速率，來自圖3。研究意義是量化藻類生理活性，顯示絮凝-覆蓋處理顯著抑制光合和呼吸作用，表明藻類活力受損，支持其分解過程。

 

 

4 15N富集數據：測量沉積物和植物中δ15N值的變化，來自圖4、5和6。研究意義是追蹤氮的轉移路徑，顯示藻源氮被沉積物保留并被植物吸收，高溫下吸收率更高，證實營養鹽從藻類向植物的轉化可行性。

 

 

 

 

結論

1 絮凝-覆蓋處理能有效移除藻華，抑制藻類活力，并促進藻細胞分解。

2 藻源氮能被沉水植物吸收，吸收率隨溫度升高而增加（25°C下達34.8%），表明該方法能促進營養鹽循環利用。

3 地球工程方法為淺水湖泊從藻類主導向植物主導的生態轉換提供了可行途徑，尤其適用于富營養化治理。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense微呼吸系統測量的光合和呼吸速率數據具有關鍵研究意義。這些數據直接量化了藻類在處理后的生理狀態變化，如氧氣產生和消耗速率（來自圖3）。結果顯示，絮凝-覆蓋處理顯著降低了藻類的光合效率，甚至在光照階段出現負氧變化，表明藻類細胞衰亡加速。這驗證了處理方法能通過抑制藻類代謝來促進分解，從而減少藻華復發風險。此外，Unisense電極的高精度測量提供了原位生理證據，增強了實驗的可靠性，并為理解地球工程方法對藻類活力的影響機制提供了支撐。這些數據直接關聯到生態恢復效果，證實了處理能創造有利于沉水植物生長的條件。