藻华衰亡过程中湖泊氮、磷迁移转化过程及机理研究

发布时间：2020-10-27 14:35

　　 由水生生态系统中的藻类水华引起的生态恶化一直是全球关注的环境问题。氮(N)和磷(P)是生物体必不可少的营养物质,湖泊水体中N和P投入的增加会促进藻类过度生长,进而导致有害藻华的暴发(HABs)。藻华衰亡过程中,藻类可以沉降至湖底,并释放大量颗粒、可溶性和胶体营养物质进入周围环境。另一方面,衰亡藻类的聚集和分解有可能显著改变底栖环境的物理和生物特征,这可强烈地影响沉积物-水相之间的营养物循环。因此,藻类的分解可能对沉积物和水相之间N、P的迁移转化有深远的影响。目前,针对HABs暴发过程中水体营养盐动力学的研究已取得较大进展,但针对HABs衰亡和随后的复苏过程这一连续事件中N、P的响应研究则较少。由此,本论文构建了室内微宇宙体系,分析了在不同的初始藻密度下,HABs衰亡过程如何影响沉积物-水相中的N、P行为,并从微观尺度上开展了相应的机理研究。研究得出的主要结论如下:(1)藻细胞密度10~8 cells/L时,HABs衰亡可促进沉积物氨氮(NH_4~+-N)向上覆水的释放,而藻细胞密度10~8 cells/L时,上覆水中的NH_4~+-N主要来源于衰亡的藻细胞,且此过程抑制了沉积物中NH_4~+-N的进一步释放。在HABs衰亡过程的后期,低藻密度处理下大气复氧作用增强了沉积物的硝化反应,使得沉积物成为NH_4~+-N转化的主要场所。高藻密度处理下复苏的蓝藻细胞群体光合产氧可显著增强沉积物的硝化反应,也使得沉积物成为NH_4~+-N的汇。藻细胞群体的复苏在一定程度上促进体系中的NH_4~+-N转化为硝酸盐氮(NO_3~--N)。(2)HABs的衰亡沉降及随后的分解会导致上覆水中TP浓度快速降低,并促使上覆水中TDP和SRP含量的增加。其中,水相中SRP浓度的快速增加还可能是由沉积物中SRP的释放导致。HABs衰亡过程中沉积物总磷含量的增加主要来源于有机磷。初始藻密度不同的HABs衰亡过程对沉积物无机磷的释放作用呈明显差异。低密度HABs随着蓝藻细胞的衰亡,沉积物无机磷由于受到pH、ORP和DO的影响,其数值在总无机磷含量稳定的情况下有明显波动。高密度HABs随着蓝藻细胞的衰亡,沉积物无机磷的释放量越来越大,其中Fe-P的释放量可达73.5%。(3)HABs衰亡末期,氧气在沉积物中的穿透深度随初始藻密度的增加依次为2.5mm、1.6mm和0.7mm。藻密度越高的藻华衰亡加速体系耗氧,进一步加剧沉积物中还原物质的释放,释放至上覆水的还原性物质继续耗氧,使得体系迅速厌氧。(4)对照体系中DGT-SRP与DGT-Fe(Ⅱ)之间存在显著的正相关性(p0.01),这证实了铁氧化还原控制沉积物中P释放的主要机制。高密度HABs的衰亡分解显著改变了SWI处P和Fe的动态,大量衰亡沉降的藻细胞分解释放高浓度的SRP,并且由此造成的SRP双向浓度差驱动SRP分别向上覆水与沉积物中扩散,因此,SWI处P的动态是由藻类的分解直接控制的。HABs的衰亡分解导致的厌氧条件将进一步促进沉积物Fe-P释放和间隙水中SRP的累积。并且,沉积物中SRP和Fe(Ⅱ)的释放主要发生在SWI以下0~4cm,这也可能反映了SWI下0~4cm为SRP的活跃层。Mn(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)在HABs衰亡过程中对沉积物中磷的释放无明显贡献,反而能间接促进上覆水中无机磷的消耗。(5)沉积物中细菌的多样性较为丰富,占主导地位的解磷菌属类有硫杆菌属(Thiobacterium)、产碱菌属(Alcaligenes)、地杆菌属(Geobacter)、固氮螺菌属(Azospirillum)、黄杆菌属(Flavobacterium)和詹森菌属(Janthinobacterium)。HABs的衰亡分解导致沉积物中解磷细菌的多样性、丰富度及其分布与初始沉积物相比均发生了显著变化。高藻密度处理下藻细胞衰亡导致沉积物表层处于缺氧和低Fe(Ⅲ)浓度等的环境条件,使得硫杆菌属(Thiobacterium)和地杆菌属(Geobacter)下具有聚磷功能的细菌数量减少,从而促进沉积物P素的释放。此外,蓝藻的存在及其衰亡过程导致沉积层中拥有更多的产碱菌属(Alcaligenes)、固氮螺菌属(Azospirillum)、黄杆菌属(Flavobacterium)和詹森菌属(Janthinobacterium),它们的解磷作用使沉积物P素得以释放。低藻密度处理下表层沉积物中主要存在硫杆菌属(Thiobacterium)、产碱菌属(Alcaligenes)、地杆菌属(Geobacter)和黄杆菌属(Flavobacterium)等解磷菌属类,对沉积物P素的释放作用较弱。HABs衰亡过程导致环境条件的改变及微生物本身的特性共同影响着沉积物磷释放。论文通过对HABs衰亡过程体系中N、P迁移转化规律及其潜在的机制的研究,发现在连续的HABs衰亡和随后的复苏过程中,氮通量发生了改变,并提供了详细的沉积物P、Fe等数据及相关的环境因子的细微数据,这些结果有助于重新评估藻华衰亡过程中N、P元素的循环,有助于澄清藻华衰亡对富营养化湖泊养分循环的贡献。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X52
【部分图文】：

中 N 素通过同化作用形成铵态氮，用于合成细胞生长所需的蛋白质。研究表明，不同形态和浓度的 N 素对蓝藻的生长繁殖影响不同，反之，不同种类的蓝藻对NH4+-N 和 NO3--N 的偏好也不尽相同，Boussiba[31]等的研究发现当同时存在NH4+-N 和 NO3--N 时，蓝藻更倾向于优先利用 NH4+-N。并且 Dokulil[32]等也发现微囊藻优先同化吸收质量相对较轻的 NH4+-N。而漂浮植物如浮萍则更优先同化吸收 NO3--N[33]。王正芳对铜绿微囊藻的培养研究表明，NH4+-N 浓度在 1.2mg/L 的较低水平或在 6mg/L 的高水平均明显抑制蓝藻的生长，而在此浓度下的 NO3--N 则有助于藻细胞的生长[34]。鲍亦璐对螺旋藻的培养研究表明，NO3--N 作为其生长的最佳氮源，不会出现高浓度抑制藻细胞生长的现象，而 NH4+-N 浓度高于 5mmol/L时会抑制其生长[35]。湖泊生态系统中的生物固氮作用（同化作用）受温度、pH、DO 浓度、光照、氮磷比、游离氮浓度和有机物等的影响[36]。温度在 10℃~25℃范围时浮游植物对 N素的同化效率与温度呈正相关，这也是为什么夏季是富营养化藻华暴发的季节。当湖泊中氮磷比或游离氮浓度很低时，蓝藻会加快固氮速率[37]。

图 1.2 反硝化过程图Fig 1.2 Denitrification process diagram富营养湖泊生态系统氮循环中，反硝化作用是其减轻氮负荷最重要的反硝化作用一般发生在富含 NO3--N 和有机碳的缺氧区域，也即沉积物47]。从上覆水扩散至沉积层的 NO3--N 几乎 100%都是通过反硝化去除表明，在海洋沉积物中通过反硝化作用外排的氮占 20%~75%，在湖沼5%~100%[48]。在低氮的蓝藻水华暴发的湖泊中厌氧氨氧化作用只有 10[49]。此外，在 HABs 暴发期间，衰亡藻细胞在快速降解过程中产生的 NO碳，可促进反硝化进行[50, 51]。硅藻能与反硝化细菌产生协同作用[52]。反硝化过程中，底物 NO3--N 的浓度是反硝化反应的限制因子[49]。此外温度、DO 浓度、pH、光照、可溶性有机碳和磷以及水力停留时间和水会影响反硝化作用。反硝化反应的进行需要稳定的避光条件。 厌氧氨氧化、异化还原（DNRA）氧氨氧化是指厌氧氨氧化菌（Anaerobic Ammonium Oxidation Bacte

9图 1.4 湖泊磷循环Fig. 1.4 Phosphorus cycling in lakes湖泊生态系统中磷的迁移转化是一个重要的生物地球化学循环过程。图 1.4 显示了湖泊生态系统中磷的循环过程，主要包括沉积物对磷的吸附解吸、磷酸盐的沉淀与溶解以及磷的生物循环等物理、化学、生物及其相互作用的复杂过程。① 沉积物的吸附/解吸沉积物中的 P 素主要可分为无机磷和有机磷两大类。水相中的磷被沉积物吸附和固定，主要依赖于沉积物中的碳酸钙、铁铝氧化物和黏土等矿物颗粒对溶解态磷酸盐的专性吸附，形成的 Al-P（磷酸铝盐）、Fe-P（磷酸铁盐）、Ca-P（磷酸钙盐）和 Oc-P（闭蓄态磷）组成沉积物中的无机态磷，其中以铁铝氧化物的吸
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本文编号：2858652