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JCLP:蓝藻分解过程中水-沉积物界面溶解氧和酸性环境的高分辨率日变化机制

发表时间:2024-06-12 14:07

文章信息

**作者:崔京珍

通讯作者:崔京珍

通讯单位:湖南文理学院

期刊:Journal of Cleaner Production

DOI:10.1016/j.jclepro.2024.140605

摘要

湖泊中藻华引起的水体中氧气和酸性环境的变化加剧了富营养化过程的不确定性,深刻影响水生态系统和湖泊生物地球化学循环。本研究旨在详细阐述底栖氧气和酸过程的机制,通过确定高分辨率和高质量的化学梯度,并获取水-沉积物界面(SWI)溶解氧(DO)/pH在不同藻类分解阶段日变化的异质数据。使用平面光极分析系统(PO)在实验室微宇宙界面获取DO/pH的动态二维(2D)图像。SWI的底质梯度和DO/pH的日变化由藻类的光合作用/呼吸作用和迁移行为共同调节,通过它们对水-碳化学的影响。SWI的DO/pH在藻类分解的不同阶段表现出独特的日变化特征;然而,与光合作用的日变化一致的特征**于藻类生长期。白天DO/pH的增加是由于O2丰富和碳酸盐水解,以补偿藻类光合作用导致的CO2饱和度降低。夜间DO/pH的减少是由于O2耗尽和H+释放,因为藻类呼吸作用导致水体CO2含量增加。当光合作用和呼吸作用受到抑制或不顺畅时,DO/pH显示出有限的增加和不确定性。沉积物并不完全厌氧,DO/pH渗透到-20 mm甚至界面底部(-40 mm),这是由于藻类迁移的结果,而DO耗尽和高pH区域随着藻类衰败转移到沉积物中。沉积物作为碱性环境的储库,可能对水体富营养化构成潜在风险。SWI处藻类活动的轨迹与DO/pH的动态变化高度一致。我们的发现为原位追踪和早期预测藻华提供了新的见解,并可用于为富营养化过程的机制和探索新的藻类控制技术提供理论基础。

二维高分辨率平面光极检测系统(PO)组成示意图


在藻类分解阶段,随时间变化的水体透明度(4-20天)以及叶绿素a(Chla)(a)、溶解氧(DO)(b)和pH(c)含量的变化。


蓝藻生长期(第9天)SWI处溶解氧浓度的二维高分辨率日变化图像。

结论

SWI处的溶解氧和酸性环境的日变化主要由藻类的光合作用、呼吸作用和迁移行为共同主导,没有外源输入,在藻类分解的不同阶段表现出独特的日变化特征。随着SWI处光合作用的消失,溶解氧和pH可能会被延迟或逐渐降低。然而,高pH区域最终将转移到沉积物中,沉积物作为碱性环境的储库,可能对水体富营养化构成潜在风险。有氧-厌氧交替和碱性埋藏深刻影响底栖生物以及碳和营养循环。为了克服本研究的局限性,未来将进一步深入探索藻华湖泊中SWI处CO2环境行为和高分辨率碳循环机制。可以追踪沉积物中的微量和残留蓝藻,并通过准确监测SWI处溶解氧和pH的变化,提前预警一些藻华暴发。可以通过遮光和注入惰性气体调节水体中溶解氧饱和度和pH,进行有效的藻类抑制,**时间是在藻类生长旺盛的10:00到12:00之间。可以结合早期预警、原位追踪和环保的藻类清除措施,这有利于采取科学的藻类控制措施和有效的管理方案,以减轻水体富营养化。


Jingzhen Cui, Yan Wang, Shiming Ding, Musong Chen, Dongping Li, Xiaohua Hao, Yun Wang, High-resolution diurnal variation mechanism of oxygen and acid environments at the water–sediment interface during cyanobacterial decomposition, Journal of Cleaner Production, Volume 435, 2024, 140605, ISSN 0959-6526, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.140605.


文章链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959652624000520?via%3Dihub=


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