富营养化湖泊中硫酸盐对蓝藻衰亡产甲烷过程的影响*

周川乔，彭 宇，邓 杨，吕成旭，朋毛羊藏，张思远，许晓光，王 瑜，张利民, 王国祥

(1：南京师范大学环境学院，南京210023)(2：江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏省水土环境生态修复工程实验室，江苏省环境演变与生态建设重点实验室，南京210023)

甲烷(CH4)是第二大温室气体，其在大气中的含量增多是引起温室效应的主要元凶，单分子CH4的温室效应是单分子二氧化碳(CO2)的25倍，对目前温室效应的贡献率达20%，在全球气候变暖中扮演了重要的角色[1-2]. 湖泊作为全球CH4的重要自然排放源之一，尽管湖泊面积占地球陆地表面积仅为3.7%，但其释放量占全球的CH4自然排放比高达6%～16%[3-4]. 因此湖泊CH4的产生和消耗过程对于大气中CH4的浓度以及热量收支具有重要意义[4-5]. 近年来，关于富营养化湖泊CH4的产生、排放等问题也逐渐成为研究热点.

受气候变暖和人为活动的双重影响，富营养化湖泊蓝藻水华频繁暴发，研究指出，温度的升高以及CO2等温室气体的浓度水平强烈影响蓝藻水华爆发的频率、强度和持续时间[6-7]. 另一方面，在过去的几个世纪里，大规模的土地利用以及人类活动改变营养盐循环，导致大量的氮(N)、磷(P)等营养盐排入湖泊水体，进而导致富营养化成为主要的淡水环境问题之一[8]. 蓝藻的衰亡、腐解过程对湖泊生态系统造成的影响，实则是藻源性有机物厌氧代谢驱动的C、N、P和S等元素的生物地球化学过程, 这是由于蓝藻的聚积直接影响了水体的氧化还原环境. 当蓝藻开始衰亡分解后，大量消耗溶解氧(DO)，使水体快速转变为厌氧强还原状态[9-10]，改变水体的微生物群落结构[11]. 蓝藻水华的暴发会促进CH4的产生与排放，主要是因为蓝藻水华的衰亡分解会提高有机碳含量和矿化率，同时释放的营养物质也会导致产甲烷菌(methanogenic bacteria, MPB)生物量的增长和活性的增强[12]. 环境中的DO或者氧化还原电位(ORP)是CH4产生与氧化过程中的关键影响因素，当蓝藻残体逐渐沉降至沉积物表层，其厌氧代谢伴随着沉积物中C、N、P、S的一系列氧化还原反应，直接影响了湖泊有机物的矿化过程[9]. 同时，释放的有机物质使得水解细菌、产氢产乙酸细菌以及产甲烷细菌等丰度增加,进一步促进了CH4的排放[12].

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

蓝藻和沉积物于2019年11月，从太湖西北部符渎港附近(31°14′45.61″N, 120°0′45.01″E)采集，其中，蓝藻采用25号筛绢浮游生物网采集，沉积物使用彼得森采泥器，挑拣出大颗粒杂质以及植物残体后，混匀，待用；根据前期的调查结果，采集低硫酸盐浓度的上覆水体后，速运回实验室0～4℃保存，过孔径为0.15 mm的筛网后，混匀，待用. 初始蓝藻组成、上覆水体以及沉积物理化指标相关数据见表1、2.

表1 蓝藻的组成成分Tab.1 Composition of cyanobacteria

表2 上覆水体及沉积物初始理化指标Tab.2 Initial physical and chemical indexes of overlying water and sediment

图1 模拟湖泊蓝藻水华衰亡的微宇宙系统示意图Fig.1 Microcosm system simulating the decay of cyanobacteria bloom of a lake

1.2 分析测试方法

蓝藻取回后冷冻干燥，采用GB/T 6433-2006/ISO 6492:1999测定粗脂肪，凯式定氮法(GB/T 6432-2018)测定蛋白质，多糖的测定使用苯酚硫酸法(NY/T 1676-2008). DO、ORP使用水质测定仪(YSI, Professional plus, USA)测量，待读数稳定后，记录相应数值.

∑S2-浓度用亚甲基蓝比色法测定[26]，称取50 g ZnAc2·2H2O和12.5 g NaAc·3H2O溶于去离子水中，定容至1000 mL，配成乙酸锌-乙酸钠溶液；称取2 g N,N-二甲基对苯二胺盐酸盐溶于200 mL去离子水中，缓慢加入200 mL浓硫酸，冷却后用水稀释，定容至1000 mL，配置成N，N-二甲基对苯二胺溶液，装入密闭棕色容量瓶中；称取25 g Fe(NH4)(SO4)2·12H2O溶于含有5 mL浓硫酸的150 mL去离子水中，用去离子水稀释至250 mL，装入容量瓶中，配置成硫酸铁铵溶液(10%). 测样时依次在96孔的酶标板中加入60 μL的乙酸锌-乙酸钠，120 μL过0.45 μm膜的水样，30 μL的N，N-二甲基对苯二胺以及20 μL的硫酸铁铵，将酶标板振荡30 min后，上酶标仪于665 nm处测定吸光值.

溶解性总磷(DTP)浓度的测定使用GB 11893-1989钼酸铵分光光度法，DTN浓度的测定使用GB 11894-1989碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法. DOC浓度用C/N分析仪(analytik multi N/C 3100)测定，在炉温800℃下，每次进样量为300 μL，测得相应的数值.

CH4含量用气相色谱仪(Aglient, 7890B)测定[27]，检测器为火焰离子检测器(FID)和电子捕获检测器(ECD). 炉温、FID、ECD检测器温度分别为55、200、300℃. 选用99.999%的高纯氮气作为载气，流速为2 mL/min；选用高纯氢和空气作为燃气，流速分别为40、400 mL/min，CH4的检出限为0.13 μg/L，误差范围1%以内.

数据作图及分析数据使用A～E五组实验系统中，整个培养周期里的相关数据，分别采用Origin 8.0和SPSS 18.0软件，相关性分析采用Pearson检验法.

2 结果与分析

2.1 水体中DO、ORP以及溶解性有机碳、氮、磷浓度的动态变化

随着蓝藻的聚集衰亡，A～E五组实验系统水体中TN、TP和DOC浓度显著升高(图2a～c)，同时水体中的DO浓度、ORP迅速降低(图2d, 2e)，且五组实验系统之间无明显差异. DO浓度在加藻后0～2 d急剧下降到最低值(<0.9 mg/L)，此后稳定维持在这一水平(图2d)，ORP在加藻后0.5 d内下降到-120～-110 mV，2 d后降至-270～-230 mV(图2e). TN、TP浓度在0～4 d上升速率最快，A组中的TN浓度在第4天时最高为34.17 mg/L(图2b)，TP浓度在第3天时达到最高，为3.88 mg/L(图2c). 水体中的DOC浓度在0～6 d上升的速率最快，在第6天时，B组中的DOC浓度最高，为55.46 mg/L(图2a). 蓝藻聚积衰亡过程中，DOC、TP和TN浓度大幅度上升，而DO浓度、ORP大幅度下降，并使水体达到强厌氧还原状态. F组除了DO浓度在初期有小幅下降之外，ORP、DOC、TN以及TP浓度无明显变化.

图2 水中DO、ORP以及溶解性有机碳、氮、磷浓度的动态变化Fig.2 The dynamics of DO, ORP and dissolved organic carbon, nitrogen, phosphorus concentrations in the overlying water

2.2 水体中和CH4浓度的动态变化

图3 水体中和CH4浓度动态变化Fig.3 Dynamic changes of ∑S2- and CH4 concentrations in overlying water

2.3 CH4浓度与水体理化指标的相互关系

表3 CH4浓度与水体理化指标的相互关系Tab.3 The correlation between CH4 concentration and physicochemical parameters of overlying water

3 讨论

湖泊虽然只占陆地表面的很小部分，却是大气中CH4的最大排放源之一，据估算每年的释放量范围为8～48 Tg，对全球气候变化影响巨大[3]. 随着富营养化湖泊问题的日益加剧，蓝藻水华的暴发对湖泊生态系统中各元素的生物地球化学循环的影响引起了广泛关注[28-30]. 蓝藻水华的暴发会造成区域性缺氧甚至是厌氧，蓝藻在水面大量堆积、衰亡，快速消耗水体中的DO，同时在其之后的分解过程中进一步消耗DO，造成水体的缺氧、厌氧[31-33]，进而改变了湖泊水体的理化环境. 本研究中，无蓝藻F组实验系统中，DO在初期有小幅下降，而ORP则一直保持不变，实验周期内，水体一直处于好氧状态(图3a, 3b). 而A～E添加蓝藻组的系统中，随着蓝藻的聚积衰亡，水体中的DO浓度以及ORP快速下降(图3a, 3b)，使得水体处于厌氧强还原状态[8-9]，两者之间呈现显著的正相关关系(R2=0.58，P<0.01)(表1). 另一方面，蓝藻衰亡提供有机质，促进了CH4的排放，同时也向水体释放出大量的C、N、P等营养盐. 在A～E五组实验系统中，水体营养盐负荷升高，TN、TP和DOC浓度显著上升(图2)，同时，野外的研究也表明，在太湖梅梁湾的同一个营养区内，近岸区域的CH4排放量均值为0.173 mmol/(m2·d)，明显高于梅梁湾湖区的排放量0.107 mmol/(m2·d)，从河口区到湖心区，随着富营养化程度的降低，CH4扩散通量由0.173 mmol/(m2·d)递减到0.107 mmol/(m2·d)[36].

表4 不同湖泊水体营养状态与浓度分布情况Tab.4 Nutritional state and distribution of concentration in different lakes

图4 初始浓度和最终CH4浓度的相关关系Fig.4 Relationship between the initial concentration and the final CH4 concentration

4 结论

1)蓝藻水华聚积衰亡会造成水体的厌氧强还原环境，同时在腐解的过程中向水体释放了大量的C、N、P等物质，加剧水体的富营养化，形成了湖泊富营养化的恶性循环.