Iron-coupled inactivation of phosphorus in sediments by macrozoobenthos (chironomid larvae) bioturbation: Evidences from high-resolution dynamic measurements

大型底棲動(dòng)物的生物擾動(dòng)作用引起鐵離子耦合沉積物的失活作用：來自于高分辨率動(dòng)態(tài)測(cè)試

來源：Environmental Pollution, 2015, 204, 241-247

 

論文摘要

摘要指出，研究團(tuán)隊(duì)通過為期140天的沉積物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，探究了搖蚊幼蟲生物擾動(dòng)對(duì)沉積物中磷活性的影響。研究運(yùn)用高分辨率透析技術(shù)和高分辨薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)，分別以毫米級(jí)精度獲取了孔隙水中的可溶性磷/鐵和活性磷/鐵的剖面數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，幼蟲的生物擾動(dòng)使其影響深度內(nèi)（沉積物表層以下最高70毫米處）的可溶性/活性磷和鐵濃度降低至對(duì)照組的一半以下。這種效應(yīng)持續(xù)了116天，并在第140天因搖蚊羽化而消失。活性磷與活性鐵高度相關(guān)，而可溶性磷與可溶性鐵的相關(guān)性較弱。結(jié)論是，F(xiàn)e(II)的氧化及其增強(qiáng)的吸附作用是導(dǎo)致可溶性和活性磷減少的主要機(jī)制。

研究目的

本研究旨在探究搖蚊幼蟲的生物擾動(dòng)如何影響富營養(yǎng)化湖泊（以太湖為例）沉積物中磷的遷移轉(zhuǎn)化和釋放過程，并重點(diǎn)闡明其背后的鐵耦合作用機(jī)制。

研究思路

研究采用實(shí)驗(yàn)室微宇宙培養(yǎng)與高分辨率原位測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的策略：

 

樣品準(zhǔn)備：從太湖梅梁灣采集沉積物和上覆水，在實(shí)驗(yàn)室建立微宇宙培養(yǎng)系統(tǒng)，并引入特定密度的搖蚊幼蟲作為處理組，設(shè)空白對(duì)照組。

時(shí)間序列監(jiān)測(cè)：在培養(yǎng)后的第7、46、116和140天進(jìn)行采樣分析。

多技術(shù)聯(lián)用：

 

使用丹麥Unisense氧微電極測(cè)量沉積物-水界面附近的溶解氧垂直剖面。

使用高分辨率孔隙水平衡儀（HR-Peeper）獲取可溶性反應(yīng)磷和可溶性Fe(II)的剖面。

使用鋯-螯合樹脂復(fù)合薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（ZrO-Chelex DGT）獲取活性磷和活性鐵的剖面。

 

計(jì)算磷的通量并分析沉積物磷的形態(tài)分級(jí)。

 

機(jī)制分析：通過對(duì)比處理組與對(duì)照組的數(shù)據(jù)，并結(jié)合磷鐵濃度的相關(guān)性分析，揭示生物擾動(dòng)的關(guān)鍵機(jī)制。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（附圖表來源）

 

溶解氧（DO）剖面：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：使用Unisense氧微電極測(cè)量的沉積物-水界面以下溶解氧濃度的垂直分布。

研究意義：直接證明幼蟲的生物灌溉行為將富氧水引入洞穴，顯著增加了沉積物中的氧滲透深度，改變了沉積物的氧化還原條件。這是引發(fā)后續(xù)鐵、磷化學(xué)變化的先決條件。

 

數(shù)據(jù)來源：圖1顯示了不同采樣時(shí)期處理組與對(duì)照組的DO剖面。

 

磷通量：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：通過監(jiān)測(cè)上覆水中SRP濃度的變化，計(jì)算得到沉積物-水界面的磷交換通量。

研究意義：量化生物擾動(dòng)對(duì)磷內(nèi)源負(fù)荷的宏觀影響。正通量表示磷從沉積物釋放到上覆水，負(fù)通量則表示沉積物吸收磷。

 

數(shù)據(jù)來源：圖2展示了四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的磷通量。

 

可溶性磷（SRP）和活性磷（Labile P）剖面：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：通過HR-Peeper測(cè)得的SRP和通過DGT測(cè)得的活性磷的垂直濃度分布。

研究意義：精確刻畫了生物擾動(dòng)在毫米尺度上對(duì)孔隙水中磷濃度的抑制效應(yīng)，證實(shí)了生物擾動(dòng)能有效降低沉積物中磷的活性和遷移能力。

 

數(shù)據(jù)來源：圖3對(duì)比了處理組與對(duì)照組在不同時(shí)間的SRP和活性磷剖面。

 

可溶性Fe(II)和活性鐵（Labile Fe）剖面：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：通過HR-Peeper測(cè)得的可溶性Fe(II)和通過DGT測(cè)得的活性鐵的垂直濃度分布。

研究意義：顯示了生物擾動(dòng)引起的氧化條件導(dǎo)致Fe(II)被氧化，濃度顯著降低，為“鐵耦合失活磷”的機(jī)制提供了直接證據(jù)。

 

數(shù)據(jù)來源：圖5對(duì)比了處理組與對(duì)照組在不同時(shí)間的可溶性Fe(II)和活性鐵剖面。

 

磷形態(tài)分級(jí)：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：對(duì)沉積物樣品進(jìn)行連續(xù)提取，分析不同結(jié)合形態(tài)的磷含量。

研究意義：從化學(xué)形態(tài)上驗(yàn)證機(jī)制。發(fā)現(xiàn)處理組中鐵結(jié)合態(tài)磷顯著增加，而其他形態(tài)磷無顯著變化，直接證實(shí)了磷被新生成的三價(jià)鐵氧化物所吸附固定。

 

數(shù)據(jù)來源：圖4展示了第46天時(shí)沉積物上層的磷形態(tài)分級(jí)結(jié)果。

 

磷鐵相關(guān)性分析：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：對(duì)可溶性磷/鐵和活性磷/鐵的濃度進(jìn)行相關(guān)性分析。

 

研究意義：活性磷與活性鐵在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間都表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)（表2），而可溶性磷與鐵的相關(guān)性較弱。這說明DGT技術(shù)能更好地捕捉到鐵磷耦合關(guān)系，因?yàn)槠錅y(cè)量的“活性”部分更直接地反映了固相與液相間的動(dòng)態(tài)平衡。

 

結(jié)論

 

顯著抑制效應(yīng)：搖蚊幼蟲的生物擾動(dòng)能顯著降低沉積物表層（最深至70-90毫米）孔隙水中可溶性和活性磷的濃度，最大降幅可達(dá)對(duì)照組的一半以上，并將沉積物從磷的“源”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皡R”。

時(shí)間依賴性：這種抑制效應(yīng)在整個(gè)幼蟲活動(dòng)期（116天內(nèi)）持續(xù)存在，并在幼蟲羽化后（第140天）消失。

核心機(jī)制：生物擾動(dòng)的核心機(jī)制是鐵耦合的磷失活。具體過程為：幼蟲灌溉引入氧氣，氧化沉積物中的Fe(II)生成Fe(III)氧化物/氫氧化物，這些新生的、具有高吸附活性的鐵氧化物進(jìn)而吸附固定孔隙水中的磷酸鹽，從而降低了磷的活性。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：高分辨率技術(shù)（HR-Peeper和DGT）相比傳統(tǒng)方法，能更精確、更真實(shí)地揭示毫米尺度的生物地球化學(xué)過程。

 

Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀及其研究意義

本研究中使用丹麥Unisense的氧微電極（OX 100）測(cè)量了沉積物中的溶解氧（DO）垂直剖面。這些數(shù)據(jù)的研究意義如下：

 

提供關(guān)鍵的機(jī)制啟動(dòng)證據(jù)：Unisense微電極提供的毫米級(jí)高分辨率DO剖面（圖1）是證明生物擾動(dòng)發(fā)生及其強(qiáng)度的最直接證據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，在有幼蟲處理的沉積物中，氧的滲透深度在第7、46、116天均顯著大于對(duì)照組。例如，在第46天，處理組的氧滲透深度為8.1毫米，而對(duì)照組僅為3.6毫米。這直觀地證實(shí)了幼蟲的生物灌溉行為將上覆富氧水泵入其洞穴，從而在沉積物中創(chuàng)造了局部的氧化微環(huán)境。

界定生物擾動(dòng)的時(shí)空影響范圍：DO剖面的變化與磷、鐵濃度剖面的變化在時(shí)間和空間上高度吻合。DO增加的區(qū)域，也正是可溶性Fe(II)和磷濃度下降的區(qū)域。這表明Unisense電極測(cè)量的氧化區(qū)是后續(xù)一系列化學(xué)反應(yīng)（鐵氧化、磷吸附）發(fā)生的“熱點(diǎn)區(qū)域”，從而幫助研究者準(zhǔn)確定位和量化生物擾動(dòng)的生態(tài)效應(yīng)。

關(guān)聯(lián)生物活動(dòng)與地球化學(xué)過程：通過時(shí)間序列監(jiān)測(cè)，Unisense數(shù)據(jù)將宏觀的生物活動(dòng)（幼蟲存活與灌溉）與微觀的地球化學(xué)過程（氧化還原條件改變）動(dòng)態(tài)地聯(lián)系起來。當(dāng)?shù)?40天幼蟲羽化后，處理組與對(duì)照組的DO剖面變得相似，與此同時(shí)，磷和鐵的濃度差異也消失了。這強(qiáng)有力地證明了觀察到的磷固定效應(yīng)是由幼蟲生物灌溉驅(qū)動(dòng)的，而非其他因素。

 

支撐核心結(jié)論：Unisense電極的數(shù)據(jù)是整個(gè)研究邏輯鏈的起點(diǎn)。它首先證實(shí)了“氧化”事件的發(fā)生，進(jìn)而才能合理解釋Fe(II)的氧化、Fe(III)氧化物的形成，并最終導(dǎo)致磷的吸附固定。沒有DO剖面的證據(jù)，“鐵耦合失活”的機(jī)制將缺乏最關(guān)鍵的支撐。

 

總之，Unisense氧微電極在本研究中扮演了“偵察兵”的角色，它提供的高分辨率溶解氧數(shù)據(jù)，不僅證實(shí)了生物擾動(dòng)的物理過程，更重要的是為闡釋其抑制磷釋放的化學(xué)機(jī)制提供了不可或缺的、定量的環(huán)境背景證據(jù)，極大地增強(qiáng)了對(duì)底棲動(dòng)物在沉積物磷循環(huán)中作用的科學(xué)理解。