石瑞潔,馬 杰,呂成旭,許曉光,黨馨逸,蔣燕妮,葉 子,吳懿婷, 王國(guó)祥

(1:南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,南京 210023)(2:江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省水土環(huán)境生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室,南京 210023)

近年來，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化已成為全球突出的水環(huán)境問題之一[1].據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2019年，我國(guó)已超70%的湖泊出現(xiàn)不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象[2].與一般湖泊相比，富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中藻華暴發(fā)或水草瘋長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致大量藻草生物碎屑在水-沉積物表面堆積分解，顯著改變湖泊生源要素的循環(huán)強(qiáng)度[3].以太湖為例，在風(fēng)力和湖流的共同作用下，大量藻類殘?bào)w在湖灣、湖濱帶、侵蝕漕以及挺水植物群叢等區(qū)域與水生植物、外源有機(jī)物等混合堆積腐解，并向水體釋放大量營(yíng)養(yǎng)鹽及各類有機(jī)物質(zhì)，在局部區(qū)域甚至?xí)稹昂骸被颉昂谒畧F(tuán)”等水環(huán)境問題[4-6].因此，需要特別關(guān)注富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻草堆積區(qū)有機(jī)碎屑的分解過程.

隨著淺水湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題的日益加劇，大量研究關(guān)注水生植物殘?bào)w或藻類碎屑分解對(duì)水質(zhì)的影響[7-9].已有結(jié)果表明，不同水生植物在各個(gè)季節(jié)腐爛分解對(duì)水質(zhì)的影響差異較大，且春季礦化速率要明顯高于冬季[10].挺水植物茭草和蘆葦殘?bào)w衰亡后會(huì)快速釋放大量營(yíng)養(yǎng)鹽，同時(shí)上覆水中溶解性有機(jī)物(DOM)的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征也會(huì)隨時(shí)間的推移而發(fā)生變化[11].在藻型富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中，DOM主要來源于藻類[12]，且藻源性顆粒有機(jī)物降解會(huì)快速釋放氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽和溶解性有機(jī)碳(DOC)[4].湖泊生物殘?bào)w分解釋放養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的過程受多種因素制約[13]，如植物種類和化學(xué)組成、pH大小、微生物群落結(jié)構(gòu)、水文情勢(shì)等[10].初始成分中氮、磷含量越高的植物殘?bào)w往往分解速率越快，而初始纖維素、半纖維素、C/N和C/P越高的植物分解速率越慢[8].一般而言，藻類碎屑的分解速率比水生植物更快，這與藻類碎屑的理化性質(zhì)密切相關(guān)，主要是由于藻類具有更大的比表面積和更高的N/P[14-15].然而，這些研究大多針對(duì)單一水生植物或藻類分解對(duì)水質(zhì)的影響，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)多來源生物碎屑的混合分解過程尚缺乏深入了解.

有研究報(bào)道水環(huán)境中可能存在類似陸生生態(tài)系統(tǒng)的“共代謝效應(yīng)”，即向系統(tǒng)中輸入易分解物質(zhì)(包括糞便、凋落物以及根系分泌物等)能激活系統(tǒng)微生物活性，加速整體有機(jī)質(zhì)代謝速率[16-17].在以往的調(diào)查中，課題組發(fā)現(xiàn)蘆葦和藍(lán)藻混合分解會(huì)導(dǎo)致上覆水pH和溶解氧(DO)迅速降低，且對(duì)水質(zhì)的影響呈現(xiàn)一定階段性[18].Kuzyakov等研究表明在混合體系中，如存在多種有機(jī)碎屑，微生物可能會(huì)優(yōu)先分解可利用率較高的物質(zhì)，同時(shí)促進(jìn)微生物大量繁殖[19].當(dāng)易分解物質(zhì)不再滿足微生物需求時(shí)，這些微生物不得不利用相對(duì)難分解的物質(zhì)，從而加快整體的代謝速率[20].在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中，藻類碎屑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更容易被微生物利用，而蘆葦碎屑組成相對(duì)復(fù)雜，藻-草碎屑在水-沉積物表面大量混合堆積能否通過共代謝效應(yīng)向水體釋放更多的污染物質(zhì)尚不清楚.

本研究構(gòu)建微宇宙系統(tǒng)，模擬藍(lán)藻和蘆葦碎屑單獨(dú)分解及混合分解過程，分析比較各處理組上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、有機(jī)質(zhì)含量及結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，闡明富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻草殘?bào)w混合分解過程中碳、氮、磷的釋放特征，探討藻草混合分解過程是否存在共代謝效應(yīng)，旨在為深入研究富營(yíng)養(yǎng)化湖泊近岸帶不同有機(jī)物混合分解對(duì)水環(huán)境質(zhì)量以及物質(zhì)循環(huán)過程的影響提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品采集

蘆葦、藍(lán)藻和沉積物均采自太湖西岸沙塘港附近(31°25′25.38″N, 120°1′54.32″E).新鮮藍(lán)藻用清水沖洗過濾后冷凍干燥，自封袋密封低溫保存；蘆葦洗凈殺青后研磨備用；沉積物過150 μm篩混勻，避光備用，沉積物在常溫下預(yù)培養(yǎng)3個(gè)月，使不穩(wěn)定的有機(jī)物質(zhì)盡量礦化，同時(shí)也使沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽釋放，盡量減少沉積物對(duì)后續(xù)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的影響.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用透明PET聚酯塑料瓶(D=10 cm, H=20 cm)，向其均勻填充100 g沉積物(溶解性總碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)含量依次為15.1、0.91、0.72 mg/g)，以玻璃棒引流緩慢加入湖水500 mL(湖水經(jīng)76 μm篩網(wǎng)過篩處理)，靜置1周，保持上覆水和沉積物中碳、氮、磷含量處于動(dòng)態(tài)平衡.實(shí)驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理組(內(nèi)含1個(gè)對(duì)照組)，且每個(gè)處理組設(shè)置3個(gè)重復(fù)，為了保持各處理組初始有機(jī)碳總量一致，添加的藍(lán)藻和蘆葦初始干重分別根據(jù)其有機(jī)碳含量進(jìn)了換算；同時(shí)，為了盡量降低沉積物中有機(jī)碳作為背景濃度的影響，添加了相對(duì)較高碳含量的藍(lán)藻和蘆葦.(A)對(duì)照組：100 g沉積物；(B)藍(lán)藻組：100 g沉積物+ 6 g藍(lán)藻(干重)；(C)蘆葦組：100 g沉積物+ 5.8 g蘆葦(干重)；(D)混合組：100 g沉積物+ 3 g藍(lán)藻(干重)+ 2.9 g蘆葦(干重)(初始蘆葦中TOC、TN、TP濃度分別為(394.07±5.23)、(15.01±1.11)、(2.70±0.01)mg/g，初始藍(lán)藻中TOC、TN、TP濃度分別為(380.93±3.45)、(62.92±1.55)、(8.18±0.86)mg/g.采用水浴加熱，溫度控制在(30±2)℃，于避光條件下連續(xù)培養(yǎng)14天.采樣時(shí)間分別為第12、24、36、48、60、72、84、96、108、120、132、156、180、204、228、324小時(shí)，每次取出12個(gè)瓶子(共計(jì)192個(gè))，破壞性采樣16次.用注射器取出全部上覆水，并按規(guī)范要求保存(《水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》HJ 493-2009)，24 h內(nèi)完成測(cè)試.沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥后用于測(cè)定脂肪酸含量.

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

采樣時(shí)，緩慢從各組中取出聚酯塑料瓶，盡量不擾動(dòng)上覆水和表層沉積物，采用便攜式水質(zhì)分析儀(YSI，美國(guó))在水深1/2處測(cè)定水體溶解氧(DO)濃度和pH值.用注射器抽取上覆水100 mL，并經(jīng)0.45 μm玻璃纖維膜抽濾.TN濃度用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定(GB 11894-1989)，TP濃度采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-1989)測(cè)定，總碳(TC)和TOC濃度采用multi N/C 3100型總有機(jī)碳分析儀測(cè)定(德國(guó)Jena公司)(水樣預(yù)先通過0.45 μm玻璃纖維膜，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行稀釋處理).取不同處理組上覆水樣品置于四面石英比色皿中進(jìn)行三維熒光光譜掃描，采用Hitachi F 7000型熒光光度計(jì)(日本日立公司)測(cè)定，光譜儀掃描范圍為激發(fā)波長(zhǎng)/發(fā)射波長(zhǎng)(Ex/Em)=200～450 nm/250～600 nm，激發(fā)波長(zhǎng)及發(fā)射波長(zhǎng)的帶通分別為5和2 nm，待掃描結(jié)束后使用繪圖軟件將Ex/Em所對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度進(jìn)行處理，繪制等高圖.

采用一步法提取并酯化所有的脂質(zhì)生成脂肪酸甲酯(FAMEs)[21].使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS，Thermo Trace 1310，美國(guó))對(duì)樣品進(jìn)行定量分析，該氣相色譜儀配備一個(gè)安捷倫DB-5MS石英毛細(xì)管柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm).升溫程序如下: 初始溫度為80℃，保持1 min，以25℃/min升溫至189℃，再以5℃/min升溫至310℃，保持30 min，進(jìn)樣口溫度為310℃.通過比較樣品中脂肪酸的峰面積，計(jì)算每克干樣中的脂肪酸含量(μg/g)；通過比較各脂肪酸的峰面積與樣品中所有脂肪酸的總峰面積，定性地(以百分比計(jì))計(jì)算出各脂肪酸的組成.利用∑17脂肪酸含量表征細(xì)菌豐度[22].

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算分析

采用一階動(dòng)力學(xué)方程描述各處理組TC濃度的動(dòng)態(tài)變化[23]，假設(shè)釋放過程分為快速釋放和緩慢釋放兩個(gè)階段.其中，緩慢釋放階段的速率較慢，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本研究假設(shè)緩慢釋放階段的反應(yīng)速率近似為0，則方程可以寫成以下形式：

Ct=(C1)0exp(k·t)+(C2)0

(1)

式中,k為快速分解階段TC的分解速率，Ct為t時(shí)刻的TC濃度，(C1)0和(C2)0分別是2個(gè)階段初始的TC濃度.

定義PE為t時(shí)刻混合組的濃度與理論值之差：

PE=Ct(混合組)-Ct(理論值)

(2)

Ct(理論值)=1/2(Ct(藍(lán)藻)+Ct(蘆葦))

(3)

式中，Ct(藍(lán)藻)和Ct(蘆葦)分別表示單一的藍(lán)藻和蘆葦處理組在t時(shí)刻釋放的TC濃度.本研究中，主要通過PE的大小評(píng)估兩種有機(jī)碎屑混合過程是否加快整體溶解性碳的分解速率.此外，TN、TP也依照上述處理方法，并計(jì)算PE大小，分別記為PETN和PETP.

使用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，運(yùn)用Origin 2018 軟件繪制圖形.

2 結(jié)果與分析

2.1 藻草混合分解過程中上覆水DO濃度及pH變化

藻草混合分解過程中上覆水DO動(dòng)態(tài)變化如圖1a所示，各處理組中DO濃度均呈先快速降低再逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì).實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到60 h時(shí)，藍(lán)藻組、蘆葦組和混合組DO濃度分別下降了93.5%、86.0%和88.9%.各處理組中上覆水pH在12～24 h有所降低，而后上升直至穩(wěn)定(圖1b).培養(yǎng)過程中，藍(lán)藻組、蘆葦組和混合組上覆水pH分別在6.42～7.9、6.71～7.41和6.54～7.91之間變化.當(dāng)培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，各處理組均呈現(xiàn)弱堿性，其中對(duì)照組上覆水pH最高，蘆葦組pH最低.

2.2 藻草混合分解過程中上覆水水溶性碳濃度變化

各處理組上覆水中TC濃度變化如圖2所示.對(duì)照組中TC濃度變化較小，平均濃度分別為(28.56±6.63)mg/L，而實(shí)驗(yàn)組均呈先上升后趨于平緩的趨勢(shì).藍(lán)藻組TC濃度在第228小時(shí)達(dá)最大值(372.4±4.55)mg/L.蘆葦組和混合組的TC濃度均在36 h達(dá)最大值，依次為(117.4±3.99)和(221.85±2.98)mg/L.結(jié)果表明PETC值僅在第2～88小時(shí)為正(混合組的釋放速率大于理論值).其中，在第25小時(shí)，PETC最大為27.47 mg/L，即TC釋放量較理論值提高了21.69%，因此，研究認(rèn)為草藻混合分解促進(jìn)了碳的排放.

圖2 藻草混合分解過程中上覆水TC濃度動(dòng)態(tài)變化

各處理組中上覆水TIC和TOC濃度變化如圖3所示.對(duì)照組中TIC和TOC濃度變化較小，平均濃度分別為(24.44±7.06)、(3.53±1.50)mg/L，而實(shí)驗(yàn)組均呈先上升后下降的趨勢(shì).藍(lán)藻組TIC濃度在第228 h達(dá)最大值(179.00±4.55)mg/L.蘆葦組和混合組的TIC濃度均在第228小時(shí)達(dá)最大值，依次為(85.8±3.31)和(144.4±2.18)mg/L.藍(lán)藻組TOC濃度在第156小時(shí)達(dá)最大值(244.2±2.38)mg/L，混合組在第180小時(shí)達(dá)最大值(118.65±1.87)mg/L.

圖3 藻草混合分解過程中上覆水TIC(a)和TOC(b)濃度動(dòng)態(tài)變化

2.3 藻草混合分解過程中上覆水水溶性氮、磷濃度變化

藻草混合分解過程中，各處理組上覆水TN濃度變化趨勢(shì)基本一致，均呈先上升，后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)(圖4a).TN濃度由高到低依次為藍(lán)藻組、混合組和蘆葦組.其中，藍(lán)藻組和混合組均在第156小時(shí)達(dá)到最大值，依次為(140.3±3.33)和(77.5±2.97)mg/L，而蘆葦組在第120小時(shí)達(dá)到最大值, 為(23.0±2.23)mg/L.TP濃度總體呈先上升后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)(圖4b).相較TN，實(shí)驗(yàn)組TP濃度波動(dòng)較大，且最大值出現(xiàn)的時(shí)間差異明顯，藍(lán)藻組和混合組分別在第324和228小時(shí)達(dá)到最大值，依次分別為(7.95±2.09)和(3.94±0.10)mg/L，而蘆葦組TP濃度在第180小時(shí)達(dá)最大值，為(1.74±0.97)mg/L.

圖4 藻草混合分解過程中上覆水TN(a)和TP(b)濃度動(dòng)態(tài)變化

比較PETN隨時(shí)間的變化特征，注意到PETN在第2～201小時(shí)為正值，即表明在這期間混合處理組TN的釋放量高于兩種碎屑單一處理組的均值.其中，在第28小時(shí)，PETN取得最大值3.48 mg/L，相較理論值提高了13.49%.類似地，計(jì)算得到PETP值在第17～260小時(shí)為正值，其中第82小時(shí)，PETP值最大，為0.62 mg/L，相較理論值提高了26.84%.

2.4 藻草混合分解過程中上覆水DOM的結(jié)構(gòu)變化

通過三維熒光光譜分析不同時(shí)期(第108、204、324小時(shí))各處理組上覆水DOM的結(jié)構(gòu)組成特征(圖5).結(jié)果表明，分解過程中各處理組三維熒光光譜的熒光峰強(qiáng)度(FI)、熒光峰中心位置和熒光指數(shù)具有一定差異性.各處理組上覆水DOM熒光峰類型主要包括類蛋白A峰、類蛋白C峰和類富里酸D峰.其中，藍(lán)藻組上覆水DOM主要以類蛋白質(zhì)為主，蘆葦組上覆水DOM主要以類蛋白質(zhì)、類富里酸為主，混合組上覆水DOM主要以蛋白質(zhì)、類富里酸為主.隨著分解過程進(jìn)行，所有處理組中類蛋白質(zhì)的FI值均逐漸下降，類蛋白熒光峰A和C的FI值由大到小依次是：藍(lán)藻組>混合組>蘆葦組.藍(lán)藻組初期和末期FI值分別為303.8和50.4，蘆葦組初期和末期FI值分別為88.6和21.4，混合組初期和末期FI值分別為166.4和25.0，而類富里酸的FI值有所增加(表1).進(jìn)一步比較相同時(shí)間內(nèi)蘆葦組和混合組中類富里酸FI的變化情況，蘆葦組和混合組中類富里酸FI的變化速率分別為1.27和1.42 d-1.

表1 上覆水中DOM熒光特性變化規(guī)律

圖5 藻草混合分解不同時(shí)期上覆水DOM三維熒光光譜

2.5 細(xì)菌特異性脂肪酸含量的變化

∑17脂肪酸是一種典型的細(xì)菌特異性脂肪酸，通常用來闡明細(xì)菌對(duì)不同有機(jī)碎屑的利用情況[22].本研究測(cè)定了各處理組在培養(yǎng)前期、中期、后期沉積物中的細(xì)菌特異性脂肪酸含量.結(jié)果表明，除蘆葦組外，其他各組中細(xì)菌豐度在培養(yǎng)初期后立即增加.在單一蘆葦處理中，細(xì)菌豐度在324 h后達(dá)到峰值(圖6).總體而言，藍(lán)藻組的細(xì)菌特異性脂肪酸含量明顯高于蘆葦組和混合組.

圖6 培養(yǎng)過程中細(xì)菌特異性脂肪酸含量的變化

3 討論

淺水湖泊中有機(jī)物來源十分復(fù)雜，包括外源和內(nèi)源有機(jī)碳.其中，外源有機(jī)碳主要來源于土壤侵蝕和入湖河流攜帶的陸源有機(jī)碎屑等；內(nèi)源有機(jī)碳主要來源于湖泊水生植物和浮游藻類殘?bào)w及其分解產(chǎn)物[24-25].在以藻類為主的富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中，內(nèi)源是有機(jī)碳形成的主要原因，尤其在水華暴發(fā)期間，大量藻類碎屑在湖濱帶、湖灣以及挺水植物群叢中聚集、沉降和分解，顯著改變湖泊碳循環(huán)強(qiáng)度[26-27].本研究通過模擬富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中藍(lán)藻和蘆葦碎屑單獨(dú)分解及混合分解過程，揭示了湖泊藻草殘?bào)w混合分解過程中碳、氮、磷的釋放特征.

本研究中，在添加相同含量有機(jī)碳條件下，我們計(jì)算得到培養(yǎng)的前88 h內(nèi)PETC為正值，表明實(shí)驗(yàn)初期藍(lán)藻和蘆葦混合分解過程存在共代謝效應(yīng)，并通過共代謝效應(yīng)促進(jìn)了整體有機(jī)碎屑分解，向水體中釋放更多溶解性碳.一般而言，在有機(jī)物厭氧分解過程中，會(huì)同時(shí)存在沉積物中的污染物因濃度梯度向水體中擴(kuò)散的過程與微生物的分解作用釋放污染物的過程；本實(shí)驗(yàn)中，由于沉積物經(jīng)過長(zhǎng)期的預(yù)培養(yǎng)，且實(shí)驗(yàn)中添加的藍(lán)藻和蘆葦?shù)奶己窟h(yuǎn)遠(yuǎn)超過了沉積物的背景值，此外，實(shí)驗(yàn)添加湖水后還進(jìn)行了預(yù)培養(yǎng)，保持了碳、氮、磷釋放的動(dòng)態(tài)平衡，因此基本可以排除沉積物釋放的影響，主要為微生物作用過程.激發(fā)效應(yīng)的概念最早由土壤學(xué)家提出來，指輸入相對(duì)“不穩(wěn)定碳”能夠改變土壤有機(jī)碳礦化過程的一種機(jī)制[28].激發(fā)效應(yīng)主要包括微生物分解、動(dòng)物利用等作用，而其中的關(guān)鍵微生物過程我們稱之為“共代謝效應(yīng)”.與環(huán)境工程中共代謝作用不同的是，它不是一種在初級(jí)能源物質(zhì)存在時(shí)才能進(jìn)行的某一種或者某一類平時(shí)不能夠利用的有機(jī)化合物的生物降解過程，而是討論一種容易分解的有機(jī)物質(zhì)對(duì)另一種難降解物質(zhì)的促進(jìn)作用.已有研究表明施用糞肥、植物殘?bào)w凋落及釋放根系分泌物等過程均會(huì)刺激土壤有機(jī)質(zhì)激發(fā)強(qiáng)烈的共代謝效應(yīng)[29-30].盡管共代謝效應(yīng)已在陸生生態(tài)系統(tǒng)中廣泛報(bào)道，但直到2010年共代謝效應(yīng)的概念才被引入水環(huán)境中，因此相關(guān)研究仍比較匱乏[31-32].相較于蘆葦碎屑，藍(lán)藻顆粒小，表面積大，且N/P更符合微生物的生長(zhǎng)需求，因而藍(lán)藻碎屑的周轉(zhuǎn)速率更快[14-15]，兩者物質(zhì)組成的差異也為共代謝效應(yīng)的發(fā)生提供了條件.通常有兩種機(jī)制來解釋共代謝效應(yīng)的發(fā)生過程，一是“不穩(wěn)定碳”的輸入激發(fā)了微生物的生長(zhǎng)和胞外酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)了有機(jī)碳的分解過程[28]；二是“不穩(wěn)定碳”的輸入增加了系統(tǒng)中土著微生物的生物量，提高了整體有機(jī)碳的分解速率[33].

通常情況，微生物在一些不利于生長(zhǎng)的環(huán)境中往往處于“饑餓”狀態(tài)，當(dāng)加入易分解碳源能快速激發(fā)微生物活性，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解[34].在培養(yǎng)初期，混合處理組共代謝效應(yīng)的增加可能歸因于添加藍(lán)藻碎屑激活了系統(tǒng)微生物，進(jìn)而加速了蘆葦碎屑的分解.有研究指出，系統(tǒng)中如果存在多種有機(jī)質(zhì)，微生物可能會(huì)優(yōu)先分解利用率較高的有機(jī)質(zhì)，這可能是引起分解進(jìn)行48 h后共代謝強(qiáng)度下降的可能原因[34].隨著藍(lán)藻碎屑被微生物快速利用，在156 h后藍(lán)藻處理組和混合處理組TC和TOC釋放速率逐漸下降.此外，水體一部分有機(jī)質(zhì)在厭氧條件下會(huì)產(chǎn)生甲烷和二氧化碳等氣體逸出，這也可能會(huì)降低TC和TOC釋放速率[35].相較蘆葦組，混合處理組中FI變化速率更大，說明混合處理組中類富里酸形成速率相對(duì)更快，即表明混合組中蘆葦?shù)姆纸馑俾矢?有研究表明由于有機(jī)物分解過程中微生物種類繁多，并不能簡(jiǎn)單通過微生物種群變化來表征共代謝效應(yīng)的強(qiáng)弱，而是通過微生物豐度來間接表征有機(jī)物的分解快慢，本研究中，所有處理組細(xì)菌特異性脂肪酸(∑17脂肪酸)含量在第一周內(nèi)迅速增加，說明添加新鮮有機(jī)物質(zhì)可能刺激了細(xì)菌生長(zhǎng).而在前156 h，混合處理中∑17脂肪酸含量的快速變化過程也證明混合體系中存在共代謝效應(yīng).后續(xù)研究還需要進(jìn)一步分析酶的活性等來驗(yàn)證該過程.值得注意的是，自然生態(tài)系統(tǒng)中，外源碳的輸入過程往往存在一定頻率，例如農(nóng)田中的糞肥和秸稈等，森林和草地土壤中的根系分泌有機(jī)物和植物凋落物等等.類似的，在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中，浮游藻類源源不斷的堆積分解，可能會(huì)持續(xù)不斷引起共代謝效應(yīng)，促進(jìn)湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的碳排放，因而，進(jìn)一步闡明富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中由藻類引起的共代謝效應(yīng)過程對(duì)湖泊碳循環(huán)具有重要意義.

藻草混合分解除釋放碳素外，還會(huì)向上覆水釋放大量營(yíng)養(yǎng)鹽，引起水質(zhì)惡化等生態(tài)問題.研究對(duì)比了混合組中TN、TP的釋放量與理論值的大小，混合處理組TN在第2～201小時(shí)的釋放量以及TP在第17～260小時(shí)的釋放量均明顯大于理論值，說明實(shí)驗(yàn)初期藍(lán)藻和蘆葦混合分解過程還促進(jìn)了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的釋放，進(jìn)一步加劇了水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度.以往關(guān)于共代謝的研究主要關(guān)注體系中碳素變化，較少關(guān)注營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的變化.所有處理組在實(shí)驗(yàn)初期TN、TP濃度均有所上升, 可能是有機(jī)碎屑體內(nèi)蛋白質(zhì)、葉綠素等有機(jī)氮分解釋放氮素，與植物體C/N密切相關(guān)[9,12,36].實(shí)驗(yàn)初期微生物代謝消耗大量氧氣，DO濃度快速下降(圖1a)，水體快速處于厭氧環(huán)境.自156 h后，各實(shí)驗(yàn)組TN濃度均逐漸下降，可能歸因于植物在厭氧環(huán)境下發(fā)生反硝化過程，并促使向大氣中釋放N2、N2O[3].至第228小時(shí)，TN濃度基本趨于穩(wěn)定.培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，TN、TP濃度從高到低依次為藍(lán)藻組>混合組>蘆葦組.在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中，氣候變暖一方面會(huì)刺激微生物繁殖，增加有機(jī)碳礦化；另一方面也會(huì)增加湖泊生產(chǎn)力，引起更多碳沉積.以太湖為例，由于氣候變暖等因素造成藍(lán)藻物候條件顯著改變，甚至全年可觀測(cè)藍(lán)藻水華[37].其衰亡沉降后，延長(zhǎng)了與植物碎屑的接觸共存時(shí)間，為共代謝提供了條件[38].隨著藻類暴發(fā)頻次進(jìn)一步增加，很可能持續(xù)激發(fā)出正向共代謝效應(yīng)，并向水體中釋放更多營(yíng)養(yǎng)鹽，加劇湖泊富營(yíng)養(yǎng)化以及對(duì)全球氣候變暖產(chǎn)生正反饋.

本研究證明了在以藻類為主的富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中存在共代謝效應(yīng)，能夠促使藻草分解向水體中釋放更多的營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)物.考慮在全球氣候變暖和湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的雙重脅迫下，藻類水華暴發(fā)頻次和規(guī)模均有明顯上升趨勢(shì)[39]，共代謝效應(yīng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的影響可能更大.本研究利用三維熒光強(qiáng)度評(píng)估了相對(duì)難分解物質(zhì)的形成速率，進(jìn)一步從有機(jī)物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化來深入分析共代謝效應(yīng)，但由于采樣間隔時(shí)間較長(zhǎng)，并未捕捉到共代謝強(qiáng)度最大的時(shí)刻，后續(xù)研究需要加大采樣頻率.基于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊生態(tài)系統(tǒng)來源十分復(fù)雜，且易受到干擾，評(píng)估藻類有機(jī)碎屑代謝過程引起的共代謝效應(yīng)的變化特征對(duì)于闡明富營(yíng)養(yǎng)化湖泊碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化以及調(diào)控和改善水體水質(zhì)等問題都具有非常重要的意義.

4 結(jié)論

1)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藍(lán)藻蘆葦混合分解初期存在明顯的共代謝效應(yīng)，并且提高了混合碎屑的分解速率.此外，草藻混合分解過程也通過共代謝效應(yīng)加速了水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放.

2)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中的藍(lán)藻蘆葦混合分解過程明顯降低了水體DO濃度，使得水體長(zhǎng)期處于厭氧狀態(tài)，極有可能進(jìn)一步引起各種水質(zhì)問題.在全球氣候變暖的背景下，隨著富營(yíng)養(yǎng)化湖泊藻類暴發(fā)頻次增加，共代謝效應(yīng)可能還會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊水質(zhì)將會(huì)持續(xù)產(chǎn)生影響.