周川喬，彭 宇，鄧 楊，呂成旭，朋毛羊藏，張思遠，許曉光，王 瑜，張利民, 王國祥

(1：南京師范大學環(huán)境學院，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，江蘇省水土環(huán)境生態(tài)修復工程實驗室，江蘇省環(huán)境演變與生態(tài)建設重點實驗室，南京210023)

甲烷(CH4)是第二大溫室氣體，其在大氣中的含量增多是引起溫室效應的主要元兇，單分子CH4的溫室效應是單分子二氧化碳(CO2)的25倍，對目前溫室效應的貢獻率達20%，在全球氣候變暖中扮演了重要的角色[1-2]. 湖泊作為全球CH4的重要自然排放源之一，盡管湖泊面積占地球陸地表面積僅為3.7%，但其釋放量占全球的CH4自然排放比高達6%～16%[3-4]. 因此湖泊CH4的產(chǎn)生和消耗過程對于大氣中CH4的濃度以及熱量收支具有重要意義[4-5]. 近年來，關于富營養(yǎng)化湖泊CH4的產(chǎn)生、排放等問題也逐漸成為研究熱點.

受氣候變暖和人為活動的雙重影響，富營養(yǎng)化湖泊藍藻水華頻繁暴發(fā)，研究指出，溫度的升高以及CO2等溫室氣體的濃度水平強烈影響藍藻水華爆發(fā)的頻率、強度和持續(xù)時間[6-7]. 另一方面，在過去的幾個世紀里，大規(guī)模的土地利用以及人類活動改變營養(yǎng)鹽循環(huán)，導致大量的氮(N)、磷(P)等營養(yǎng)鹽排入湖泊水體，進而導致富營養(yǎng)化成為主要的淡水環(huán)境問題之一[8]. 藍藻的衰亡、腐解過程對湖泊生態(tài)系統(tǒng)造成的影響，實則是藻源性有機物厭氧代謝驅(qū)動的C、N、P和S等元素的生物地球化學過程, 這是由于藍藻的聚積直接影響了水體的氧化還原環(huán)境. 當藍藻開始衰亡分解后，大量消耗溶解氧(DO)，使水體快速轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬鯊娺€原狀態(tài)[9-10]，改變水體的微生物群落結(jié)構(gòu)[11]. 藍藻水華的暴發(fā)會促進CH4的產(chǎn)生與排放，主要是因為藍藻水華的衰亡分解會提高有機碳含量和礦化率，同時釋放的營養(yǎng)物質(zhì)也會導致產(chǎn)甲烷菌(methanogenic bacteria, MPB)生物量的增長和活性的增強[12]. 環(huán)境中的DO或者氧化還原電位(ORP)是CH4產(chǎn)生與氧化過程中的關鍵影響因素，當藍藻殘體逐漸沉降至沉積物表層，其厭氧代謝伴隨著沉積物中C、N、P、S的一系列氧化還原反應，直接影響了湖泊有機物的礦化過程[9]. 同時，釋放的有機物質(zhì)使得水解細菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌以及產(chǎn)甲烷細菌等豐度增加,進一步促進了CH4的排放[12].

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

藍藻和沉積物于2019年11月，從太湖西北部符瀆港附近(31°14′45.61″N, 120°0′45.01″E)采集，其中，藍藻采用25號篩絹浮游生物網(wǎng)采集，沉積物使用彼得森采泥器，挑揀出大顆粒雜質(zhì)以及植物殘體后，混勻，待用；根據(jù)前期的調(diào)查結(jié)果，采集低硫酸鹽濃度的上覆水體后，速運回實驗室0～4℃保存，過孔徑為0.15 mm的篩網(wǎng)后，混勻，待用. 初始藍藻組成、上覆水體以及沉積物理化指標相關數(shù)據(jù)見表1、2.

表1 藍藻的組成成分Tab.1 Composition of cyanobacteria

表2 上覆水體及沉積物初始理化指標Tab.2 Initial physical and chemical indexes of overlying water and sediment

圖1 模擬湖泊藍藻水華衰亡的微宇宙系統(tǒng)示意圖Fig.1 Microcosm system simulating the decay of cyanobacteria bloom of a lake

1.2 分析測試方法

藍藻取回后冷凍干燥，采用GB/T 6433-2006/ISO 6492:1999測定粗脂肪，凱式定氮法(GB/T 6432-2018)測定蛋白質(zhì)，多糖的測定使用苯酚硫酸法(NY/T 1676-2008). DO、ORP使用水質(zhì)測定儀(YSI, Professional plus, USA)測量，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄相應數(shù)值.

∑S2-濃度用亞甲基藍比色法測定[26]，稱取50 g ZnAc2·2H2O和12.5 g NaAc·3H2O溶于去離子水中，定容至1000 mL，配成乙酸鋅-乙酸鈉溶液；稱取2 g N,N-二甲基對苯二胺鹽酸鹽溶于200 mL去離子水中，緩慢加入200 mL濃硫酸，冷卻后用水稀釋，定容至1000 mL，配置成N，N-二甲基對苯二胺溶液，裝入密閉棕色容量瓶中；稱取25 g Fe(NH4)(SO4)2·12H2O溶于含有5 mL濃硫酸的150 mL去離子水中，用去離子水稀釋至250 mL，裝入容量瓶中，配置成硫酸鐵銨溶液(10%). 測樣時依次在96孔的酶標板中加入60 μL的乙酸鋅-乙酸鈉，120 μL過0.45 μm膜的水樣，30 μL的N，N-二甲基對苯二胺以及20 μL的硫酸鐵銨，將酶標板振蕩30 min后，上酶標儀于665 nm處測定吸光值.

溶解性總磷(DTP)濃度的測定使用GB 11893-1989鉬酸銨分光光度法，DTN濃度的測定使用GB 11894-1989堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法. DOC濃度用C/N分析儀(analytik multi N/C 3100)測定，在爐溫800℃下，每次進樣量為300 μL，測得相應的數(shù)值.

CH4含量用氣相色譜儀(Aglient, 7890B)測定[27]，檢測器為火焰離子檢測器(FID)和電子捕獲檢測器(ECD). 爐溫、FID、ECD檢測器溫度分別為55、200、300℃. 選用99.999%的高純氮氣作為載氣，流速為2 mL/min；選用高純氫和空氣作為燃氣，流速分別為40、400 mL/min，CH4的檢出限為0.13 μg/L，誤差范圍1%以內(nèi).

數(shù)據(jù)作圖及分析數(shù)據(jù)使用A～E五組實驗系統(tǒng)中，整個培養(yǎng)周期里的相關數(shù)據(jù)，分別采用Origin 8.0和SPSS 18.0軟件，相關性分析采用Pearson檢驗法.

2 結(jié)果與分析

2.1 水體中DO、ORP以及溶解性有機碳、氮、磷濃度的動態(tài)變化

隨著藍藻的聚集衰亡，A～E五組實驗系統(tǒng)水體中TN、TP和DOC濃度顯著升高(圖2a～c)，同時水體中的DO濃度、ORP迅速降低(圖2d, 2e)，且五組實驗系統(tǒng)之間無明顯差異. DO濃度在加藻后0～2 d急劇下降到最低值(<0.9 mg/L)，此后穩(wěn)定維持在這一水平(圖2d)，ORP在加藻后0.5 d內(nèi)下降到-120～-110 mV，2 d后降至-270～-230 mV(圖2e). TN、TP濃度在0～4 d上升速率最快，A組中的TN濃度在第4天時最高為34.17 mg/L(圖2b)，TP濃度在第3天時達到最高，為3.88 mg/L(圖2c). 水體中的DOC濃度在0～6 d上升的速率最快，在第6天時，B組中的DOC濃度最高，為55.46 mg/L(圖2a). 藍藻聚積衰亡過程中，DOC、TP和TN濃度大幅度上升，而DO濃度、ORP大幅度下降，并使水體達到強厭氧還原狀態(tài). F組除了DO濃度在初期有小幅下降之外，ORP、DOC、TN以及TP濃度無明顯變化.

圖2 水中DO、ORP以及溶解性有機碳、氮、磷濃度的動態(tài)變化Fig.2 The dynamics of DO, ORP and dissolved organic carbon, nitrogen, phosphorus concentrations in the overlying water

2.2 水體中和CH4濃度的動態(tài)變化

圖3 水體中和CH4濃度動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of ∑S2- and CH4 concentrations in overlying water

2.3 CH4濃度與水體理化指標的相互關系

表3 CH4濃度與水體理化指標的相互關系Tab.3 The correlation between CH4 concentration and physicochemical parameters of overlying water

3 討論

湖泊雖然只占陸地表面的很小部分，卻是大氣中CH4的最大排放源之一，據(jù)估算每年的釋放量范圍為8～48 Tg，對全球氣候變化影響巨大[3]. 隨著富營養(yǎng)化湖泊問題的日益加劇，藍藻水華的暴發(fā)對湖泊生態(tài)系統(tǒng)中各元素的生物地球化學循環(huán)的影響引起了廣泛關注[28-30]. 藍藻水華的暴發(fā)會造成區(qū)域性缺氧甚至是厭氧，藍藻在水面大量堆積、衰亡，快速消耗水體中的DO，同時在其之后的分解過程中進一步消耗DO，造成水體的缺氧、厭氧[31-33]，進而改變了湖泊水體的理化環(huán)境. 本研究中，無藍藻F組實驗系統(tǒng)中，DO在初期有小幅下降，而ORP則一直保持不變，實驗周期內(nèi)，水體一直處于好氧狀態(tài)(圖3a, 3b). 而A～E添加藍藻組的系統(tǒng)中，隨著藍藻的聚積衰亡，水體中的DO濃度以及ORP快速下降(圖3a, 3b)，使得水體處于厭氧強還原狀態(tài)[8-9]，兩者之間呈現(xiàn)顯著的正相關關系(R2=0.58，P<0.01)(表1). 另一方面，藍藻衰亡提供有機質(zhì)，促進了CH4的排放，同時也向水體釋放出大量的C、N、P等營養(yǎng)鹽. 在A～E五組實驗系統(tǒng)中，水體營養(yǎng)鹽負荷升高，TN、TP和DOC濃度顯著上升(圖2)，同時，野外的研究也表明，在太湖梅梁灣的同一個營養(yǎng)區(qū)內(nèi)，近岸區(qū)域的CH4排放量均值為0.173 mmol/(m2·d)，明顯高于梅梁灣湖區(qū)的排放量0.107 mmol/(m2·d)，從河口區(qū)到湖心區(qū)，隨著富營養(yǎng)化程度的降低，CH4擴散通量由0.173 mmol/(m2·d)遞減到0.107 mmol/(m2·d)[36].

表4 不同湖泊水體營養(yǎng)狀態(tài)與濃度分布情況Tab.4 Nutritional state and distribution of concentration in different lakes

圖4 初始濃度和最終CH4濃度的相關關系Fig.4 Relationship between the initial concentration and the final CH4 concentration

4 結(jié)論

1)藍藻水華聚積衰亡會造成水體的厭氧強還原環(huán)境，同時在腐解的過程中向水體釋放了大量的C、N、P等物質(zhì)，加劇水體的富營養(yǎng)化，形成了湖泊富營養(yǎng)化的惡性循環(huán).