水體營養化水平的提高通常會造成藻華問題。藻華爆發產生的大量藻類會發生聚集，最終死亡并沉積在沉積物表面，從而影響水生系統的微環境和磷循環過程。然而，有關自然死亡的藻類沉積對沉積物內源磷釋放的影響的研究還很缺乏。因此，在本研究中，我們通過分析微生物代謝和群落結構，研究了不同濃度的死亡藻類（對照：正常湖泊；Amend1：中營養湖泊；Amend4：富營養湖泊；Amend12：超富營養湖泊）沉積對沉積物中內源磷釋放的長期影響及其潛在機制。


Unisense微電極測定系統的應用:

從槽中取出沉積物芯，應用Unisense微電極系統測量沉積物的DO和Eh。溶解氧濃度由OX-100氧微電極(丹麥Unisense)測定，Eh值由RD-100氧化還原微電極測定。

圖1


死亡藻類沉積改變了沉積物的物化特征。如圖2所示，80天的長期培養期后，隨著死亡藻類濃度的增加，溶解氧的滲透深度下降。就Eh而言，對照組水—沉積物界面處的Eh值相對穩定，為431.90 mV，而死亡藻類沉積組的Eh值與對照組相比顯著（p<0.05）下降。就pH而言，隨著沉積物深度的增加，pH值也出現下降趨勢，沉積物pH值由堿性變為酸性，且死亡藻類沉積組與對照組之間存在顯著（p<0.05）差異。

圖2對照組、Amend1組、Amend4組和Amend12組水沉積物界面（SWI）處溶解氧(Ⅰ)、Eh(Ⅱ)和pH(Ⅲ)的微觀分布圖。虛線代表SWI。


死亡藻類沉積改變了微宇宙中磷在水體和沉積物中的分布和轉化。


如圖3所示，在對照組中，SRP的濃度在最初的30天內出現波動，隨后在30至80天內幾乎降至0。而與對照組相比，所有死亡藻類沉積組的SRP濃度都有顯著變化，其中以Amend12組的變化最為明顯。


結果表明，死藻沉積后，沉積物向水體的P釋放量在第40天達到峰值（Amend12為0.14±0.017 mg L-1），SRP交換能力在第一階段（0-3天）達到最大值（Amend12為6.09±1.63 mg/(cm2·d)）。此外，死亡藻類沉積組沉積物表面的OP、IP、HCl-P、NaOH-P和TP的濃度要高于對照組，這些磷組分的含量隨著死亡藻類沉積數量的增加而增加，尤其是以OP和HCl-P的形式增加。

圖3對照組、Amend1組、Amend4組和Amend12組在80天培養期間上覆水中SRP濃度的連續變化（a），以及對照組、Amend1組、Amend4組和Amend12組在培養結束時0-2厘米沉積物中不同P組分（OP、IP、HCl-P、NaOH-P、TP）的連續變化（b）。


死亡藻類沉積不僅改變了沉積物聚磷菌（PAOs）代謝中的部分關鍵酶的活性和主要代謝產物的產量，還改變了沉積物中微生物群落的結構。


如圖4所示，隨著死亡藻類濃度的增加，沉積物中部分關鍵的酶活性和主要代謝產物的含量均顯著升高（p<0.05），且研究結果表明酶的類型和沉積物的層次都是影響PAOs對死亡藻類沉積的代謝反應的重要因素。此外，LEfSe分析結果表明，死亡藻類沉積改變了沉積物微生物群落結構以及生物標志物的類型和數量。死亡藻類沉積后，Amend4中的生物標志物數量明顯增加，由對照組的9個增加到15個。


同時，如圖5所示，通過對PAOs在磷循環過程中典型的微生物葡萄糖代謝（糖酵解和TCA循環）和尿素循環過程的分析，我們發現死亡藻類沉積增加了C源代謝、減少了細胞內氨抑制作用，促進了厭氧釋磷過程，這大大的提高了磷循環微生物（聚磷菌）的活性，有助于促進沉積物內源磷的釋放。

圖4培養80天后死亡藻類沉積對0-2厘米沉積物PAOs代謝中糖酵解（a）、尿素循環（b）、和磷循環（c）過程關鍵酶活性和主要代謝產物含量（d）的影響。

圖5 PAOs在P循環過程中典型微生物葡萄糖代謝（糖酵解和TCA循環）和尿素循環示意圖


最后，如圖6所示，本研究通過物理-化學-生物微環境相關因子的綜合分析對死亡藻類沉積驅動沉積物內源磷釋放的潛在機制進行了探究。死亡藻類的長期沉積極大地改變了沉積物的微環境，使得內源磷釋放到上覆水體中，而微生物在這一過程中發揮了關鍵作用。藻類沉積在沉積物表面引入了大量有機物，增加了沉積物微生物活性，降低了沉積物DO和Eh值，增強了沉積物表面不穩定磷的釋放。同時，沉積物中的聚磷菌（PAOs）由于增加了C源代謝、降低了細胞內氨抑制作用，并且擁有了更合適的厭氧環境而表現出較強的釋磷活性。此外，死亡藻類沉積明顯增加了沉積物中內源磷的儲備，沉積物中OP含量的增加對長期暴露于死藻環境后上覆水中SRP含量的增加起了重要作用。

圖6不同磷組分與沉積物性質之間關系的網絡分析。


相關熱圖顯示了死亡藻類沉積后不同物理、化學和生物因子之間的相關性，左側的線條代表了水體和沉積物中的各種磷組分與沉積物的物理、化學和生物因子之間相關性的大小和顯著性。


總之，本研究從微生物的角度，尤其是聚磷菌（PAOs）代謝的角度，分析了自然死亡藻類沉積在沉積物表面對內源磷釋放行為的影響。本研究不僅提供了許多新穎的觀點，還提供了一種可行的研究思路和方法，即通過對物理-化學-生物微環境相關因子的綜合分析來解釋科學問題。因此，這項研究加深了我們對控制富營養化淺水湖泊內源磷釋放的管理策略的理解，并為減輕新沉積藻類的誘發效應提供了有效建議：通過在藻類繁殖高峰期采收藻類來實現。