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藻华衰亡过程中湖泊氮、磷迁移转化过程及机理研究

藻华衰亡过程中湖泊氮、磷迁移转化过程及机理研究

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作者：胡梅娟重庆大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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)藻细胞密度衰亡可促进沉积物氨氮(NH-N)向上覆水的释放,而藻细胞密度>10 cells/L时,上覆水中的NH-N主要来源于衰亡的藻细胞,且此过程抑制了沉积物中NH-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-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-N的汇。藻细胞群体的复苏在一定程度上促进体系中的NH-N转化为硝酸盐氮(NO-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(p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0cm,这也可能反映了SWI下0cm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

关键词：藻华衰亡氮磷迁移转化机理

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