Effects of benthic algae on release of soluble reactive phosphorus from sediments: a radioisotope tracing study

底棲藻類對(duì)沉積物中可溶性活性磷釋放的影響放射性同位素示蹤研究

來(lái)源：Water Science and Engineering 2015, 8(2): 127-131

 

摘要內(nèi)容

這篇論文旨在評(píng)估淺水湖泊中底棲藻類對(duì)沉積物內(nèi)可溶性活性磷釋放的影響。研究通過(guò)在有藻和無(wú)藻的沉積物柱芯中進(jìn)行SRP釋放實(shí)驗(yàn)，以及底棲藻類對(duì)SRP的吸收實(shí)驗(yàn)，并采用放射性同位素（32P）示蹤法。結(jié)果表明，底棲藻類能有效減少沉積物中SRP向覆水的釋放。藻類對(duì)SRP的直接吸收率在過(guò)濾水中較低，并隨SRP濃度增加而升高，但增速持續(xù)時(shí)間短（約1小時(shí)）。此外，底棲藻類通過(guò)光合作用提高了沉積物中的溶解氧濃度和含氧層厚度，間接減少了SRP的釋放。研究結(jié)論指出，底棲藻類通過(guò)直接和間接兩種方式減少SRP釋放，且間接作用可能更為重要。

研究目的

本研究的主要目的是評(píng)估底棲藻類對(duì)淺水湖泊沉積物中SRP釋放的影響，并區(qū)分其直接（藻類吸收）和間接（改變沉積物氧化還原條件）作用機(jī)制。

研究思路

研究采用實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)與放射性同位素示蹤相結(jié)合的策略：

 

樣品采集與培養(yǎng)：從惠州西湖南湖中心采集沉積物柱芯和湖水，在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)底棲藻類（光照組）并設(shè)置無(wú)藻對(duì)照組（黑暗組）。

SRP釋放實(shí)驗(yàn)：向沉積物柱芯注入32P標(biāo)記的磷酸鹽，監(jiān)測(cè)7天內(nèi)覆水中32P活性的變化，比較有藻組和無(wú)藻組的SRP釋放速率。

SRP吸收實(shí)驗(yàn)：在不同SRP濃度條件下（過(guò)濾水、高SRP濃度），測(cè)定底棲藻類對(duì)32P標(biāo)記SRP的短期（3小時(shí)內(nèi)）吸收速率。

 

環(huán)境參數(shù)測(cè)量：使用Unisense微電極測(cè)量沉積物表層的溶解氧濃度和含氧層厚度。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（注明數(shù)據(jù)來(lái)源）

 

32P活性（SRP釋放實(shí)驗(yàn)）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：有藻組覆水中的32P活性顯著低于無(wú)藻對(duì)照組。第7天時(shí)，有藻組的32P活性僅為對(duì)照組的4%。

研究意義：直接證明底棲藻類能有效抑制SRP從沉積物向水體的釋放。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖1展示了對(duì)照組和釋放實(shí)驗(yàn)組隨時(shí)間變化的32P活性。

 

32P活性（SRP吸收實(shí)驗(yàn)）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：在低SRP濃度（過(guò)濾水）下，藻類對(duì)SRP的吸收不顯著；在高SRP濃度（0.015 mg/L）下，第1小時(shí)32P活性下降14%，但后續(xù)小時(shí)無(wú)顯著變化。

研究意義：表明藻類對(duì)SRP的直接吸收受濃度驅(qū)動(dòng)，且吸收過(guò)程快速飽和，暗示直接吸收作用可能短暫且有限。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖2對(duì)比了對(duì)照組、吸收實(shí)驗(yàn)組及高SRP濃度組的32P活性變化。

 

溶解氧濃度與含氧層厚度：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：有藻組沉積物表層（1.5 mm深度）的DO濃度（4.08±0.97 mg/L）顯著高于無(wú)藻組（1.05±0.47 mg/L）。有藻組含氧層最大厚度約4.0 mm，無(wú)藻組約2.0 mm。

研究意義：揭示底棲藻類通過(guò)光合作用增氧，間接增強(qiáng)沉積物表層的氧化狀態(tài)，從而促進(jìn)磷與鐵等金屬離子結(jié)合沉淀，減少SRP釋放。

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：圖3顯示了沉積物上層DO濃度；文本中描述了含氧層厚度。

 

結(jié)論

 

底棲藻類能有效減少沉積物中SRP的釋放，7天內(nèi)可使釋放量降低至無(wú)藻條件下的4%。

藻類對(duì)SRP的直接吸收在高濃度下短期顯著（1小時(shí)內(nèi)下降14%），但快速飽和，表明直接吸收作用短暫。

藻類通過(guò)光合作用提高沉積物氧化層厚度和DO濃度，間接抑制SRP釋放，且這一間接機(jī)制在長(zhǎng)期調(diào)控中可能起主導(dǎo)作用。

 

研究強(qiáng)調(diào)在淺水湖泊修復(fù)中，維持底棲藻群落有助于通過(guò)多種途徑控制內(nèi)源磷負(fù)荷，改善水質(zhì)。

 

詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense微電極（型號(hào)PA2000）測(cè)量的溶解氧數(shù)據(jù)具有關(guān)鍵研究意義：

 

提供高分辨率氧化還原證據(jù)：Unisense微電極能以毫米級(jí)精度直接測(cè)量沉積物表層的DO濃度垂直分布（圖3）。數(shù)據(jù)顯示有藻組DO濃度顯著高于無(wú)藻組，且含氧層更厚，為“藻類增氧間接抑制SRP釋放”的假說(shuō)提供了原位實(shí)證。

量化間接作用的物理基礎(chǔ)：通過(guò)精確測(cè)定含氧層厚度（有藻組4.0 mm vs. 無(wú)藻組2.0 mm），Unisense數(shù)據(jù)將藻類光合作用與沉積物化學(xué)條件動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，表明藻類可擴(kuò)大沉積物氧化區(qū)，增強(qiáng)磷的固定能力。

 

支持機(jī)制區(qū)分：結(jié)合32P活性數(shù)據(jù)，Unisense測(cè)量結(jié)果幫助明確間接作用（氧化層增厚）的貢獻(xiàn)可能大于直接吸收（短暫且有限），為淺水湖泊管理提供了理論依據(jù)——即通過(guò)調(diào)控光照和藻類生長(zhǎng)可長(zhǎng)效控制內(nèi)源磷釋放。

 

總之，Unisense電極的高分辨率DO數(shù)據(jù)是連接生物活動(dòng)（藻類光合）與地球化學(xué)過(guò)程（磷形態(tài)轉(zhuǎn)化）的關(guān)鍵橋梁，其量化結(jié)果直接支撐了本研究中關(guān)于間接作用主導(dǎo)的結(jié)論。