由水生生態(tài)系統(tǒng)中的藻類水華引起的生態(tài)惡化一直是全球關(guān)注的環(huán)境問題。氮(N)和磷(P)是生物體必不可少的營養(yǎng)物質(zhì),湖泊水體中N和P投入的增加會促進藻類過度生長,進而導(dǎo)致有害藻華的暴發(fā)(HABs)。藻華衰亡過程中,藻類可以沉降至湖底,并釋放大量顆粒、可溶性和膠體營養(yǎng)物質(zhì)進入周圍環(huán)境。另一方面,衰亡藻類的聚集和分解有可能顯著改變底棲環(huán)境的物理和生物特征,這可強烈地影響沉積物-水相之間的營養(yǎng)物循環(huán)。因此,藻類的分解可能對沉積物和水相之間N、P的遷移轉(zhuǎn)化有深遠的影響。目前,針對HABs暴發(fā)過程中水體營養(yǎng)鹽動力學(xué)的研究已取得較大進展,但針對HABs衰亡和隨后的復(fù)蘇過程這一連續(xù)事件中N、P的響應(yīng)研究則較少。由此,本論文構(gòu)建了室內(nèi)微宇宙體系,分析了在不同的初始藻密度下,HABs衰亡過程如何影響沉積物-水相中的N、P行為,并從微觀尺度上開展了相應(yīng)的機理研究。研究得出的主要結(jié)論如下:(1)藻細胞密度10~8 cells/L時,HABs衰亡可促進沉積物氨氮(NH_4~+-N)向上覆水的釋放,而藻細胞密度10~8 cells/L時,上覆水中的NH_4~+-N主要來源于衰亡的藻細胞,且此過程抑制了沉積物中NH_4~+-N的進一步釋放。在HABs衰亡過程的后期,低藻密度處理下大氣復(fù)氧作用增強了沉積物的硝化反應(yīng),使得沉積物成為NH_4~+-N轉(zhuǎn)化的主要場所。高藻密度處理下復(fù)蘇的藍藻細胞群體光合產(chǎn)氧可顯著增強沉積物的硝化反應(yīng),也使得沉積物成為NH_4~+-N的匯。藻細胞群體的復(fù)蘇在一定程度上促進體系中的NH_4~+-N轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮(NO_3~--N)。(2)HABs的衰亡沉降及隨后的分解會導(dǎo)致上覆水中TP濃度快速降低,并促使上覆水中TDP和SRP含量的增加。其中,水相中SRP濃度的快速增加還可能是由沉積物中SRP的釋放導(dǎo)致。HABs衰亡過程中沉積物總磷含量的增加主要來源于有機磷。初始藻密度不同的HABs衰亡過程對沉積物無機磷的釋放作用呈明顯差異。低密度HABs隨著藍藻細胞的衰亡,沉積物無機磷由于受到pH、ORP和DO的影響,其數(shù)值在總無機磷含量穩(wěn)定的情況下有明顯波動。高密度HABs隨著藍藻細胞的衰亡,沉積物無機磷的釋放量越來越大,其中Fe-P的釋放量可達73.5%。(3)HABs衰亡末期,氧氣在沉積物中的穿透深度隨初始藻密度的增加依次為2.5mm、1.6mm和0.7mm。藻密度越高的藻華衰亡加速體系耗氧,進一步加劇沉積物中還原物質(zhì)的釋放,釋放至上覆水的還原性物質(zhì)繼續(xù)耗氧,使得體系迅速厭氧。(4)對照體系中DGT-SRP與DGT-Fe(Ⅱ)之間存在顯著的正相關(guān)性(p0.01),這證實了鐵氧化還原控制沉積物中P釋放的主要機制。高密度HABs的衰亡分解顯著改變了SWI處P和Fe的動態(tài),大量衰亡沉降的藻細胞分解釋放高濃度的SRP,并且由此造成的SRP雙向濃度差驅(qū)動SRP分別向上覆水與沉積物中擴散,因此,SWI處P的動態(tài)是由藻類的分解直接控制的。HABs的衰亡分解導(dǎo)致的厭氧條件將進一步促進沉積物Fe-P釋放和間隙水中SRP的累積。并且,沉積物中SRP和Fe(Ⅱ)的釋放主要發(fā)生在SWI以下0~4cm,這也可能反映了SWI下0~4cm為SRP的活躍層。Mn(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)在HABs衰亡過程中對沉積物中磷的釋放無明顯貢獻,反而能間接促進上覆水中無機磷的消耗。(5)沉積物中細菌的多樣性較為豐富,占主導(dǎo)地位的解磷菌屬類有硫桿菌屬(Thiobacterium)、產(chǎn)堿菌屬(Alcaligenes)、地桿菌屬(Geobacter)、固氮螺菌屬(Azospirillum)、黃桿菌屬(Flavobacterium)和詹森菌屬(Janthinobacterium)。HABs的衰亡分解導(dǎo)致沉積物中解磷細菌的多樣性、豐富度及其分布與初始沉積物相比均發(fā)生了顯著變化。高藻密度處理下藻細胞衰亡導(dǎo)致沉積物表層處于缺氧和低Fe(Ⅲ)濃度等的環(huán)境條件,使得硫桿菌屬(Thiobacterium)和地桿菌屬(Geobacter)下具有聚磷功能的細菌數(shù)量減少,從而促進沉積物P素的釋放。此外,藍藻的存在及其衰亡過程導(dǎo)致沉積層中擁有更多的產(chǎn)堿菌屬(Alcaligenes)、固氮螺菌屬(Azospirillum)、黃桿菌屬(Flavobacterium)和詹森菌屬(Janthinobacterium),它們的解磷作用使沉積物P素得以釋放。低藻密度處理下表層沉積物中主要存在硫桿菌屬(Thiobacterium)、產(chǎn)堿菌屬(Alcaligenes)、地桿菌屬(Geobacter)和黃桿菌屬(Flavobacterium)等解磷菌屬類,對沉積物P素的釋放作用較弱。HABs衰亡過程導(dǎo)致環(huán)境條件的改變及微生物本身的特性共同影響著沉積物磷釋放。論文通過對HABs衰亡過程體系中N、P遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其潛在的機制的研究,發(fā)現(xiàn)在連續(xù)的HABs衰亡和隨后的復(fù)蘇過程中,氮通量發(fā)生了改變,并提供了詳細的沉積物P、Fe等數(shù)據(jù)及相關(guān)的環(huán)境因子的細微數(shù)據(jù),這些結(jié)果有助于重新評估藻華衰亡過程中N、P元素的循環(huán),有助于澄清藻華衰亡對富營養(yǎng)化湖泊養(yǎng)分循環(huán)的貢獻。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：X52
【部分圖文】：

中 N 素通過同化作用形成銨態(tài)氮，用于合成細胞生長所需的蛋白質(zhì)。研究表明，不同形態(tài)和濃度的 N 素對藍藻的生長繁殖影響不同，反之，不同種類的藍藻對NH4+-N 和 NO3--N 的偏好也不盡相同，Boussiba[31]等的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)同時存在NH4+-N 和 NO3--N 時，藍藻更傾向于優(yōu)先利用 NH4+-N。并且 Dokulil[32]等也發(fā)現(xiàn)微囊藻優(yōu)先同化吸收質(zhì)量相對較輕的 NH4+-N。而漂浮植物如浮萍則更優(yōu)先同化吸收 NO3--N[33]。王正芳對銅綠微囊藻的培養(yǎng)研究表明，NH4+-N 濃度在 1.2mg/L 的較低水平或在 6mg/L 的高水平均明顯抑制藍藻的生長，而在此濃度下的 NO3--N 則有助于藻細胞的生長[34]。鮑亦璐對螺旋藻的培養(yǎng)研究表明，NO3--N 作為其生長的最佳氮源，不會出現(xiàn)高濃度抑制藻細胞生長的現(xiàn)象，而 NH4+-N 濃度高于 5mmol/L時會抑制其生長[35]。湖泊生態(tài)系統(tǒng)中的生物固氮作用（同化作用）受溫度、pH、DO 濃度、光照、氮磷比、游離氮濃度和有機物等的影響[36]。溫度在 10℃~25℃范圍時浮游植物對 N素的同化效率與溫度呈正相關(guān)，這也是為什么夏季是富營養(yǎng)化藻華暴發(fā)的季節(jié)。當(dāng)湖泊中氮磷比或游離氮濃度很低時，藍藻會加快固氮速率[37]。

圖 1.2 反硝化過程圖Fig 1.2 Denitrification process diagram富營養(yǎng)湖泊生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)中，反硝化作用是其減輕氮負荷最重要的反硝化作用一般發(fā)生在富含 NO3--N 和有機碳的缺氧區(qū)域，也即沉積物47]。從上覆水?dāng)U散至沉積層的 NO3--N 幾乎 100%都是通過反硝化去除表明，在海洋沉積物中通過反硝化作用外排的氮占 20%~75%，在湖沼5%~100%[48]。在低氮的藍藻水華暴發(fā)的湖泊中厭氧氨氧化作用只有 10[49]。此外，在 HABs 暴發(fā)期間，衰亡藻細胞在快速降解過程中產(chǎn)生的 NO碳，可促進反硝化進行[50, 51]。硅藻能與反硝化細菌產(chǎn)生協(xié)同作用[52]。反硝化過程中，底物 NO3--N 的濃度是反硝化反應(yīng)的限制因子[49]。此外溫度、DO 濃度、pH、光照、可溶性有機碳和磷以及水力停留時間和水會影響反硝化作用。反硝化反應(yīng)的進行需要穩(wěn)定的避光條件。 厭氧氨氧化、異化還原（DNRA）氧氨氧化是指厭氧氨氧化菌（Anaerobic Ammonium Oxidation Bacte

9圖 1.4 湖泊磷循環(huán)Fig. 1.4 Phosphorus cycling in lakes湖泊生態(tài)系統(tǒng)中磷的遷移轉(zhuǎn)化是一個重要的生物地球化學(xué)循環(huán)過程。圖 1.4 顯示了湖泊生態(tài)系統(tǒng)中磷的循環(huán)過程，主要包括沉積物對磷的吸附解吸、磷酸鹽的沉淀與溶解以及磷的生物循環(huán)等物理、化學(xué)、生物及其相互作用的復(fù)雜過程。① 沉積物的吸附/解吸沉積物中的 P 素主要可分為無機磷和有機磷兩大類。水相中的磷被沉積物吸附和固定，主要依賴于沉積物中的碳酸鈣、鐵鋁氧化物和黏土等礦物顆粒對溶解態(tài)磷酸鹽的專性吸附，形成的 Al-P（磷酸鋁鹽）、Fe-P（磷酸鐵鹽）、Ca-P（磷酸鈣鹽）和 Oc-P（閉蓄態(tài)磷）組成沉積物中的無機態(tài)磷，其中以鐵鋁氧化物的吸
【參考文獻】

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