苏州科技大学李大鹏团队WR|死亡藻类沉积对沉积物表面的长期影响:沉积物中的内源磷释放行为

文摘   2024-11-18 08:13   天津  

文章信息

第一作者:陈艳琦

通讯作者:李大鹏 教授,刘松琪 讲师

通讯单位:苏州科技大学

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122742

亮点

• 探讨了死亡藻类沉积对内源释放的长期影响。

• 研究了沉积物中聚磷菌(PAOs)对死亡藻类沉积的响应

• 沉积物微环境和微生物的变化都推动了内源的释放。

• 沉积物中的释放量在40天达到最大值(Amend12中为0.14±0.017 mg L-1)。

• 应在藻类生长高峰期采收藻类,以防止沉积的死亡藻类产生诱发效应

研究进展

水体营养化水平的提高通常会造成藻华问题。藻华爆发产生的大量藻类会发生聚集,最终死亡并沉积在沉积物表面,从而影响水生系统的微环境和磷循环过程。然而,有关自然死亡的藻类沉积对沉积物内源磷释放的影响的研究还很缺乏。因此,在本研究中,我们通过分析微生物代谢和群落结构,研究了不同浓度的死亡藻类(对照:正常湖泊;Amend1:中营养湖泊;Amend4:富营养湖泊;Amend12:超富营养湖泊)沉积对沉积物中内源磷释放的长期影响及其潜在机制。

图1 图文摘要
死亡藻类沉积改变了沉积物的物化特征。如图2所示,80天的长期培养期后,随着死亡藻类浓度的增加,溶解氧的渗透深度下降。就Eh而言,对照组水—沉积物界面处的Eh值相对稳定,为431.90 mV,而死亡藻类沉积组的Eh值与对照组相比显著(p<0.05)下降。就pH而言,随着沉积物深度的增加,pH值也出现下降趋势,沉积物pH值由碱性变为酸性,且死亡藻类沉积组与对照组之间存在显著(p<0.05)差异。

图2 对照组、Amend1组、Amend4组和Amend12组 水沉积物界面(SWI)处溶解氧(Ⅰ)、Eh(Ⅱ)和 pH(Ⅲ)的微观分布图。虚线代表SWI。

死亡藻类沉积改变了微宇宙中磷在水体和沉积物中的分布和转化。如图3所示,在对照组中,SRP的浓度在最初的30天内出现波动,随后在30至80天内几乎降至0。而与对照组相比,所有死亡藻类沉积组的SRP浓度都有显著变化,其中以Amend12组的变化最为明显。结果表明,死藻沉积后,沉积物向水体的P释放量在第40天达到峰值(Amend12为0.14±0.017 mg L-1),SRP交换能力在第一阶段(0-3天)达到最大值(Amend12为6.09±1.63 mg/(cm2·d))。此外,死亡藻类沉积组沉积物表面的OP、IP、HCl-P、NaOH-P和TP的浓度要高于对照组,这些磷组分的含量随着死亡藻类沉积数量的增加而增加,尤其是以OP和HCl-P的形式增加。

图3 对照组、Amend1组、Amend4组和Amend12组在80天培养期间上覆水中SRP浓度的连续变化(a),以及对照组、Amend1组、Amend4组和Amend12组在培养结束时0-2厘米沉积物中不同P组分(OP、IP、HCl-P、NaOH-P、TP)的连续变化(b)。
死亡藻类沉积不仅改变了沉积物聚磷菌(PAOs)代谢中的部分关键酶的活性和主要代谢产物的产量,还改变了沉积物中微生物群落的结构。如图4所示,随着死亡藻类浓度的增加,沉积物中部分关键的酶活性和主要代谢产物的含量均显著升高(p<0.05),且研究结果表明酶的类型和沉积物的层次都是影响PAOs对死亡藻类沉积的代谢反应的重要因素。此外,LEfSe分析结果表明,死亡藻类沉积改变了沉积物微生物群落结构以及生物标志物的类型和数量。死亡藻类沉积后,Amend4中的生物标志物数量明显增加,由对照组的9个增加到15个。同时,如图5所示,通过对PAOs在磷循环过程中典型的微生物葡萄糖代谢(糖酵解和TCA循环)和尿素循环过程的分析,我们发现死亡藻类沉积增加了C源代谢、减少了细胞内氨抑制作用,促进了厌氧释磷过程,这大大的提高了磷循环微生物(聚磷菌)的活性,有助于促进沉积物内源磷的释放。

4 培养80天后死亡藻类沉积对0-2厘米沉积物PAOs代谢中糖酵解(a)、尿素循环(b)、和磷循环(c)过程关键酶活性和主要代谢产物含量(d)的影响。

图5  PAOs 在P循环过程中典型微生物葡萄糖代谢(糖酵解和TCA循环)和尿素循环示意图
最后,如图6所示,本研究通过物理-化学-生物微环境相关因子的综合分析对死亡藻类沉积驱动沉积物内源磷释放的潜在机制进行了探究。死亡藻类的长期沉积极大地改变了沉积物的微环境,使得内源磷释放到上覆水体中,而微生物在这一过程中发挥了关键作用。藻类沉积在沉积物表面引入了大量有机物,增加了沉积物微生物活性,降低了沉积物DO和Eh值,增强了沉积物表面不稳定磷的释放。同时,沉积物中的聚磷菌(PAOs)由于增加了C源代谢、降低了细胞内氨抑制作用,并且拥有了更合适的厌氧环境而表现出较强的释磷活性。此外,死亡藻类沉积明显增加了沉积物中内源磷的储备,沉积物中OP含量的增加对长期暴露于死藻环境后上覆水中SRP含量的增加起了重要作用。

图6 不同磷组分与沉积物性质之间关系的网络分析。相关热图显示了死亡藻类沉积后不同物理、化学和生物因子之间的相关性,左侧的线条代表了水体和沉积物中的各种磷组分与沉积物的物理、化学和生物因子之间相关性的大小和显著性

总之,本研究从微生物的角度,尤其是聚磷菌(PAOs)代谢的角度,分析了自然死亡藻类沉积在沉积物表面对内源磷释放行为的影响。本研究不仅提供了许多新颖的观点,还提供了一种可行的研究思路和方法,即通过对物理-化学-生物微环境相关因子的综合分析来解释科学问题。因此,这项研究加深了我们对控制富营养化浅水湖泊内源磷释放的管理策略的理解,并为减轻新沉积藻类的诱发效应提供了有效建议:通过在藻类繁殖高峰期采收藻类来实现。

作者介绍

李大鹏,教授,博士生导师,苏州科技大学环境科学与工程学院院长,城市生活污水资源化利用技术国家地方联合工程实验室主任。主要从事水污染控制方面的教学和科研工作,致力于地表水体修复以及水生态功能恢复研究。主持完成/在研国家自然科学基金、省部级项目10余项,参与完成/在研国家自然科学基金重点项目和“十一五”、“十三五”水重大专项。现为住建部高等教育给排水科学与工程专业评估委员;《Water-Energy Nexus》、《中国给水排水》(核心)、《环境工程学报》(核心)等编委;江苏省海洋湖沼学会理事、中国水协工程教育委员会委员、中国环境学会沉积物专业委员会委员、中国环境学会水处理与回用专委会委员等。

通讯邮箱ustsldp@163.com

刘松琪,博士,苏州科技大学讲师。主要从事水环境保护与生态修复、沉积物氮循环、新型污染物的环境行为及风险等研究。SCI收录论文17篇,在Water ResearchJournal of Hazardous Material等期刊以第一作者或通讯作者发表多篇论文。主持国家自然科学基金1项,省部级开放课题1项,参与国家自然基金2项。

通讯邮箱liusongqi@usts.edu.cn

陈艳琦,苏州科技大学环境科学与工程学院研究生,主要研究方向为水环境保护与修复、沉积物氮磷循环、微生物群落功能及生态效应等,以第一作者身份在Water Research上发表论文1篇,参与科研项目多项,如垂向微界面上内源磷形态转化的驱动机制等,参加学术汇报多次,如第七届国际学生环境生态论坛等。

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