底栖细鞘丝藻对沉积物磷释放的影响

胡俊杰， 万年新，王涛，谢纯林，裴国凤*

(1 中南民族大学 生命科学学院，武汉 430074；2 山东省胶东调水工程棘洪滩水库管理处，青岛 266111)

自20世纪90年代以来，我国湖泊污染日益严重，水体富营养化程度加剧，藻华频繁暴发[1].有研究表明，在减少甚至没有外源营养盐输入的情况下，沉积物中营养盐的释放是导致湖泊富营养化的主要原因[2].藻类作为湖泊中重要的初级生产者和主要的物质流动调节者，是沉积物营养盐释放过程中的关键生物因子[3].史静[4]发现，在滇池富营养化水体中，藻垫可以吸收溶解态的磷，吸附颗粒态的磷，并形成隔离层，减少沉积物中内源磷的释放.此外，底栖藻类还可以通过影响水体理化因子，间接减缓沉积物磷的释放[5].目前，有关底栖丝状藻类在不同营养状况水体中对沉积物磷释放影响的研究相对较少.为了深入探究底栖丝状藻类对沉积物磷释放的影响，本文以底栖细鞘丝藻生物膜为实验材料，利用室内“富营养型(或寡营养型)上覆水体-底栖细鞘丝藻生物膜-沉积物”静态培养系统，评估了底栖细鞘丝藻在不同营养型水体中生长对沉积物磷释放的影响,为阐明底栖丝状藻类在高内源负荷型受损水体生态修复中的作用提供理论基础，为富营养化湖泊的生态恢复提供一定的基础数据.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所用的富营养型上覆水体取样于南湖水(TP：1.336 mg·L-1、TN：7.941 mg·L-1)[5]，并用四层纱布过滤后使用，用蒸馏水作为实验处理系统的寡营养型上覆水体；沉积物采集于南湖湖中心的表层沉积物(30°49 N, 114°38 E)，自然风干后碾碎，去除石块和动植物残体，混匀备用.

底栖细鞘丝藻来源于本实验室自野外样品纯化藻株，在40 L玻璃缸中用BG11液体培养基培养备用.

1.2 实验方法

在所有处理组玻璃缸(40 cm×25 cm×30 cm)底部均匀铺上2 kg沉积物(厚度约 3～4 cm)，根据综合营养状态指数法[6]设置上覆水体为富营养型处理组A、B[TLI(TP)>50]和寡营养型处理组C、D[TLI(TP)<30]两种处理系统，每组两个平行. 处理组A：沉积物+28 L南湖水+40 g底栖细鞘丝藻生物膜；处理组B：沉积物+28 L南湖水；处理组C：沉积物+28 L蒸馏水+40 g底栖细鞘丝藻生物膜；处理组D：沉积物+28 L蒸馏水. 处理组A、C的底栖细鞘丝藻生物膜均匀接种至沉积物表层，所有处理组设置光照强度40 μmol·m-2s-1，光暗比12∶12，置于室温(23±2) ℃中培养，定期向玻璃缸里补加相应营养型的水体，保持缸内水体容量恒定，实验周期60 d. 在实验过程中，每隔5 d或10 d用便携式测量仪测定各实验组的水体pH(中国雷磁，PHB-4)、溶解氧(DO，中国雷磁，JPB-607)、氧化还原电位(ORP，中国雷磁，SX712)和电导率(EC，中国雷磁，DDB-303A)；参照国家环境保护部(2012)的方法[7]每隔5 d或10 d测定各实验组上覆水体的总溶解性磷(TDP)和可溶性活性磷(SRP)；参照连续提取法[8]测定各处理组底栖细鞘丝藻生物膜和沉积物的弱结合态磷(NH4Cl-P)、铁/铝结合态磷(Fe/Al-P)和钙磷(Ca-P)等磷形态和总磷(TP)含量，计算颗粒态磷(PP)(PP=TP-TDP). 每个样品测量重复3次，取平均值.

1.3 数据处理

采用 Excel 2019和SPSS 17.0 对实验数据进行统计与分析；采用 One way-ANOVA 对数据进行显著性分析.

2 结果与分析

2.1 上覆水体理化因子变化

实验期间，各处理组水体pH值随时间均呈波动上升趋势(图1(a)). 60 d后，处理组A、C的水体pH值显著高于处理组B、D(P<0.05)，但处理组A、C之间的水体pH值无显著差异(P>0.05). 同时，处理组A、C的水体DO值显著高于处理组B、D(P<0.05)(图1(b)). 20 d后，处理组A、C的DO含量呈缓慢上升趋势，而处理组B、D的随时间持续呈现波动下降趋势，由最初的4.56、6.83 mg·L-1下降到2.40、2.90 mg·L-1.此外，各处理组的水体EC值均呈先上升后下降趋势(图1(c))，水体ORP均持续呈波动下降趋势(图1(d)). 这些结果表明，上覆水体理化因子的变化与水体营养水平无直接关系，而底栖细鞘丝藻生物膜在一定程度上能够影响水体理化因子的变化.

2.2 上覆水体磷浓度变化

60 d内，各处理组间水体TP浓度变化显著差异(P<0.05)(图2(a)). 实验前10 d，处理组D的TP浓度略高于处理组C；10 d后，处理组D的TP浓度随时间延长逐渐下降至相对较低水平，而处理组C随时间小幅波动上升. 处理组A、B的初始TP浓度为0.23 mg·L-1，实验前25 d，处理组A的TP浓度显著低于处理组B(P<0.05)，处理组A、B的TDP、SRP和PP浓度随时间延长均呈下降趋势[图2(b)、2(c)、2(d)]，处理组C、D的PP浓度差异明显(P<0.05)，且与同组的TP浓度变化趋势相似. 这些实验结果表明，底栖细鞘丝藻生物膜能够有效降低上覆水体的磷浓度，且滞留富营养水体磷的能力明显强于寡营养水体.

(A)南湖水+底栖细鞘丝藻生物膜;(B)南湖水;(C)蒸馏水+底栖细鞘丝藻生物膜；(D)蒸馏水.图1 各处理组上覆水体pH、DO、EC和ORP变化Fig.1 The dynamic changes of pH,DO,EC and ORP of overlying water

(A)南湖水+底栖细鞘丝藻生物膜；(B)南湖水；(C)蒸馏水+底栖细鞘丝藻生物膜；(D)蒸馏水.图2 各处理组上覆水体TP、TDP、SRP、PP浓度变化Fig.2 The dynamic concentration changes of TP,TDP,SRP and PP of overlying water

2.3 底栖细鞘丝藻生物膜、沉积物的不同形态磷含量

实验前后，处理组A、C的底栖细鞘丝藻生物膜磷形态含量存在显著差异(P<0.05)(图3). 实验初期，NH4Cl-P、Ca-P是底栖细鞘丝藻生物膜主要的磷形态组分，二者分别占磷总量的46.04% 和39.75%。60 d后，处理组C的底栖细鞘丝藻生物膜磷形态发生了以NH4Cl-P、Fe/Al-P为主的转变，二者分别占磷总量的42.58% 和48.08%；同时，底栖细鞘丝藻生物膜的TP含量增加，由最初的3.22 mg·g-1增加到3.77 mg·g-1(表1). 而处理组A的底栖细鞘丝藻生物膜中NH4Cl-P、Ca-P含量减少， Fe/Al-P含量增加，总磷含量下降，但由于底栖细鞘丝藻生物量的增多，磷的总量是增加的. 这说明底栖细鞘丝藻生物膜磷形态组成及其滞留磷的能力受水体营养水平的影响.

图3 各处理组底栖细鞘丝藻生物膜不同形态磷的含量变化Fig.3 The contents changes of phosphorus forms of Leptolyngbya sp.

实验结果表明，各处理组的沉积物磷形态变化相似(图4). 实验初期，各处理组沉积物磷形态以Ca-P为主，占沉积物磷总磷的47.29%；60 d后，各处理组沉积物磷形态均以Fe/Al-P为主，分别占各处理组磷总量的68.13%、55.61%、49.96%和65.02%, 两个不同营养水平水体中沉积物磷形态含量的变化无明显差异(P>0.05). 这些结果表明，上覆水体的营养状况会影响沉积物磷的释放，但沉积物磷形态组成的变化与水体营养水平无关.

图4 各处理组沉积物不同磷形态的含量变化Fig.4 The contents changes of phosphorus forms of sediments

2.4 上覆水体、底栖细鞘丝藻生物膜和沉积物的总磷含量

60 d后，处理组A、B的水体TP含量均减少(表1)，且处理组B的水体TP含量在实验前后均高于处理组A；处理组C、D的水体TP含量均增加，且处理组C的水体TP含量高于处理组D. 实验结束时，处理组A、C的底栖细鞘丝藻生物膜TP含量与初始值相比显著增加，处理组A、C和D的沉积物TP含量均减少，且处理组D沉积物TP含量最低，处理组B的沉积物TP含量略有上升. 由此可见，上覆水体为富营养状态时，沉积物磷的释放速度较慢，甚至会发生磷沉淀现象；水体为寡营养状态时，沉积物磷的释放速度较快.同时，这说明底栖鞘丝藻生物膜能够有效减缓富营养水体中沉积物磷的释放.

表1 上覆水体、底栖细鞘丝藻生物膜和沉积物中的TP含量Tab.1 Phosphorus contents of overlying water, Leptolyngbya sp. and sediments 单位：mg

3 讨论

3.1 水体理化因子对沉积物磷释放的影响

沉积物磷的释放会受到pH、DO等水体理化因子的影响[9].有研究表明，水体pH为8～10时，沉积物中的Fe/Al-P容易发生磷解析现象，产生较多的正磷酸盐离子，促进沉积物磷的释放[10].由图1(a)可知，各处理组上覆水体pH>7.0，呈碱性状态，且各组的水体pH均呈上升趋势. 60 d后，除处理组B外，其他处理组的沉积物磷总量都低于初始值，这可能与水体pH的升高有关. 一般情况下，高浓度DO会抑制沉积物的磷释放[11].经分析发现，实验结束时，处理组C中沉积物磷含量显著大于处理组D，与上述结论相似. 然而，处理组A的沉积物磷总量远低于处理组B，这说明沉积物磷的释放并不完全随DO的升高而减缓，可能原因是底栖细鞘丝藻生物膜对沉积物磷的直接同化吸收降低了沉积物磷总量；也可能是底栖细鞘丝藻生物膜的呼吸作用使沉积物表面产生短暂缺氧环境，促进了沉积物的磷释放[12].综合来看，上覆水体理化因子的变化影响了沉积物的磷释放，但与水体的营养水平无直接关系；底栖细鞘丝藻在一定程度上能够影响水体理化因子的变化，间接影响沉积物的磷释放.

3.2 底栖细鞘丝藻对沉积物磷释放的影响

有研究表明底栖藻类可以滞留水体中的磷，减缓沉积物磷的释放[13].一方面，底栖藻类会以吸收吸附的溶解性磷和颗粒态磷形成隔离层，滞留水体中的磷，降低水体磷含量.另一方面，底栖藻类通过影响水体理化因子，如促进水体pH和ORP的升高，进而促进磷与金属盐的共沉淀，减缓沉积物磷的释放；同时，底栖藻类进行光合作用产生的氧气会在沉积物表面形成一层氧化膜，进一步减缓沉积物磷的释放[14].在本实验结束时，处理组A的水体磷含量显著低于处理组B、C，处理组C 的沉积物磷含量显著高于处理组D，这与上述结论相似.此外，上覆水体的营养状况会影响沉积物磷的释放速度，当上覆水体为富营养状态时，水体与沉积物之间磷浓度差小，导致沉积物向上覆水体的磷释放量和释放速度减小[15].60 d后，处理组B的沉积物TP含量显著大于处理组D，这与上述结论相似. 但是，实验结束时，处理组A、C 的沉积物磷形态变化没有显著差异(P>0.05)，处理组A、C的底栖细鞘丝藻生物膜磷形态浓度存在明显差异(P<0.05). 综上所述，底栖细鞘丝藻可以滞留水体中的磷，减缓沉积物磷的释放，且滞留富营养水体磷的能力明显强于寡营养水体；水体营养水平影响底栖细鞘丝藻生物膜磷形态组成及其滞留磷的能力，对沉积物磷形态组成没有明显影响，但影响沉积物磷的释放.