沉积物在藻类衰亡-生长过程中对磷的“源汇”作用

作     者：刘笑 

作者单位：烟台大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张劲

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 08[工学] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：沉积物 铜绿微囊藻 磷 水铁矿 

摘      要：磷（P）是湖泊生态系统重要的营养元素之一,沉积物是P的重要载体,在生态系统P循环过程中承担着重要的“源汇作用。一方面,P进入湖泊后随颗粒物沉降而在沉积物中蓄积,沉积物起到“P汇的作用,另一方面,沉积物中的P可以释放到水中支撑湖泊藻类生长和增殖,起到“P源的作用。在富营养化浅水湖泊中,沉积物在P循环中“源汇作用尤为重要,水华爆发季节沉积物P对水体总P的贡献率在部分湖泊高达90%,而藻类降解释放的P也主要储存在沉积物上。目前,关于沉积物在藻类衰亡-生长周期中对P的“源汇过程和定量关系并不明确,本研究以此为主题开展相关研究。 本研究的主要内容和相关结果如下: （1）本研究选取浅水湖泊沉积物为代表,研究铜绿微囊藻衰亡过程中P的形态变化及其在沉积物上的赋存规律。结果表明:蓝藻衰亡降解过程中释放大量的P进入溶液中,溶解性P被沉积物吸附。在44天的衰亡过程中,分解过程可以分为4个阶段:第一个阶段,铜绿微囊藻通过呼吸作用短暂维持生长状态,溶液中的无机磷（DIP）和有机磷（DOP）被沉积物吸附,沉积物吸附无机磷（S-DIP）和吸附有机磷（SDOP）增加。第二阶段,铜绿微囊藻细胞内容P开始降解释放,溶液中DIP、DOP、S-DIP和S-DOP开始增加。第三阶段,因为藻细胞壁在一段时间内抵抗细菌的分解,DIP和DOP减缓增加、S-DOP下降、S-DIP略微增加。第四阶段,DIP、DOP、SDOP、S-DIP增加。铜绿微囊藻内P由4.01 mg/L降解到1.91 mg/L,降解率53%。降解产物中,DOP浓度为0.07 mg/L,DIP浓度为0.17 mg/L,S-DOP为0.39 mg/L,S-DIP为1.81 mg/L。由此可见,降解产生的生物有效P主要赋存在沉积物上。 （2）沉积物中的Fe/Al氧化物是沉积物生物有效P赋存的主要载体,本项研究内容选取典型沉积物颗粒水铁矿为代表,研究铜绿微囊藻衰亡过程中P的形态变化及其在水铁矿上的赋存规律。结果表明:在24天的衰亡过程中,分解过程可以分为4个阶段:第一个阶段,铜绿微囊藻通过呼吸作用短暂维持生长状态,溶液中的无机磷（DIP）和有机磷（DOP）被水铁矿吸附,水铁矿吸附无机磷（Fe-DIP）和吸附有机磷（Fe-DOP）增加。第二阶段,铜绿微囊藻细胞内容P开始降解释放,溶液中DIP、DOP、Fe-DIP和Fe-DOP开始增加。第三阶段,因为藻细胞壁在一段时间内抵抗细菌的分解,DIP和DOP不变、Fe-DOP下降、Fe-DIP略微增加。第四阶段,DIP、DOP、Fe-DOP、Fe-DIP增加。铜绿微囊藻内P由1.85 mg/L降解到0.51 mg/L,降解率72%。降解产物中,DOP浓度为0.23 mg/L,DIP浓度为0.34 mg/L,Fe-DOP为0.13 mg/L,Fe-DIP为1.43 mg/L。在沉积物中。由此可见,降解产生的生物有效P主要赋存在水铁矿上。 （3）太湖沉积物和水铁矿在培养基中吸附P后,以不同含P量的沉积物和水铁矿为唯一P源,以铜绿微囊藻为测试藻种进行藻类生物可利用评价,结果表明沉积物和水铁矿吸附态P是铜绿微囊藻生长的有效P源。其中,铜绿微囊藻最大生物量（Chl-a）对沉积物Fe/Al吸附态P浓度响应的曲线为:Y=1757.8x+124.51,R=0.991。铜绿微囊藻最大生物量（Chl-a）对水铁矿吸附态P浓度响应曲线为:Y=521.91x+81.011,R=0.971。 （4）加入沉积物/水铁矿后,溶液腐殖化、疏水性、大分子量有机质和芳香环上取代基的种类以及取代程度减小。微生物丰富度、多样性、均匀度随铜绿微囊藻降解的进行而增加。 综合研究结果来看,沉积物在蓝藻生长-衰亡过程中“源汇作用高度统一,藻类降解的P主要以DIP的形态吸附在沉积物表面,Fe氧化物为主要的吸附载体之一,这些DIP在藻类生长需要时向水体释放并向藻类供P,支撑其生长繁殖,本研究结果和实际浅水富营养化湖泊中藻类生消生命周期的P的变化规律一致。